ES2960922T3 - Horno con recuperación de calor integrada que utiliza un recuperador radiativo para precalentar reactivos de combustión utilizando el calor de gases de combustión - Google Patents

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Abstract

Un recuperador radiativo precalienta oxidante y/o combustible para la combustión en uno o más quemadores de un horno. El recuperador incluye un conducto, del cual al menos partes comprenden un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(m·K), preferiblemente superior a 3 W/(m·K), que recibe los gases de combustión calientes producidos por el quemador(es). El conducto transfiere calor por radiación al oxidante o combustible (para precalentar) que fluye a través de uno o más tubos metálicos dispuestos entre el conducto y una pared aislante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Horno con recuperación de calor integrada que utiliza un recuperador radiativo para precalentar reactivos de combustión utilizando el calor de gases de combustión
Antecedentes
Campo de la invención
La presente invención se refiere al precalentamiento de uno o ambos tipos de reactivos de combustión (es decir, oxidante y/o combustible) para la combustión en uno o más quemadores de un horno utilizando calor residual de los gases de combustión producidos en el horno.
Técnica relacionada
El precalentamiento del aire para la combustión en un horno de alta temperatura mediante la recuperación de energía térmica de los gases de combustión ha logrado ahorros de com
bustible en los hornos de vidrio. Por ejemplo, y como se ilustra en lafigura 1, flujos de un combustibleFy aire precalentadoHAson quemados por quemadoresBde un hornoFproduciendo un flujo de gases de combustiónFG. El flujo de gases de combustiónFGes transportado por un conductoCa un recuperador metálicoRque sirve para transferir calor de los gases de combustiónFGa un flujo de aire A que luego se convierte en el flujo de aire precalentadoHA. Como se muestra en lafigura 2, un tipo de recuperador para un horno de aire precalentado tiene una configuración de doble tubería en la que el flujo de gases de combustiónFGestá contenido dentro de una tubería interior metálicaIPe intercambia calor a través de la tubería interiorIPcon un flujo de aireAcontenido en un espacio anular entre la tubería interiorIPy una tubería exteriorOP. Como se ilustra en lafigura 3, otro tipo de recuperador para un horno de aire precalentado incluye una pluralidad de tuberías internasIP, que contiene flujos de aireA, que están dispuestas alrededor de la periferia de un espacio cilíndrico encerrado por aislamiento refractarioIRque contiene el flujo de gases de combustiónFG. Hasta donde sabemos, estas dos últimas técnicas (es decir, aquellas que incluyen una interfaz metálica única entre los gases de combustión y el oxígeno o el gas natural) no se han aplicado comercialmente al precalentamiento de oxígeno y gas natural por razones de seguridad. Esto se debe a que se esperaría que la tubería interior metálica única o el anillo de tuberías interiores metálicas fallaran a su debido tiempo debido al ataque corrosivo a alta temperatura de los gases de combustiónFGsobre el metal de las tuberíasP. Una fuga de oxígeno o gas natural en un flujo de gases de combustión podría provocar un incidente de seguridad catastrófico.
La técnica de precalentar el aire de combustión se ha aplicado con cierto éxito a los hornos de vidrio alimentados con oxígeno (es decir, hornos de vidrio calentados por quemadores que queman oxidante que no es aire sino alguna forma de gas enriquecido con oxígeno, como el oxígeno industrialmente puro). Sin embargo, calentar la corriente de oxígeno es extremadamente desafiante, porque la alta reactividad del oxígeno, especialmente a alta temperatura, impone limitaciones extremas al diseño y construcción del sistema de recuperación de calor. Por ejemplo, si bien es una práctica común utilizar un regenerador, a través del cual los gases de combustión y el aire fluyen en ciclos alternos para precalentar el aire, generalmente se considera imposible utilizar esta técnica con oxígeno debido al temor de que el oxígeno reaccione con contaminantes inevitablemente presentes en los gases de combustión y depositados en el regenerador.
Al igual que en los hornos de vidrio, también se ha propuesto el precalentamiento de combustible y/u oxidante para los hornos de fusión de metales.
Para evitar el problema anterior, el documento US 6.250.916 divulga una solución en la que se utilizan gases de combustión calientes para precalentar aire que se utiliza, a su vez, para precalentar oxígeno. Además, Górüneyet al.describieron una realización del sistema HeatOx ofrecido por Air Liquide en el que primero se calienta el aire en un recuperador mediante intercambio de calor con los gases de combustión calientes y, posteriormente, el oxígeno o el gas natural se precalienta con el aire caliente en un intercambiador de calor de tubo y carcasa separado. (Górüney,et al.,"Oxy-Fuel Tableware Furnace with Novel Oxygen- and Natural Gas Preheating System", 77.a Conferencia sobre Problemas del Vidrio). Si bien estos enfoques han sido bastante satisfactorios, a veces pueden resultar algo limitados en dos aspectos. En primer lugar, debido a la necesidad de tener intercambiadores de calor separados (para precalentar el aire y precalentar el oxígeno o el gas natural), el coste de capital asociado puede, en ciertas situaciones, disuadir la inversión en un proyecto de este tipo debido al mayor tiempo necesario para obtener un retorno de la inversión. En segundo lugar, las temperaturas a las que se puede precalentar el oxígeno o el gas natural están limitadas por la temperatura del aire precalentado. Por lo tanto, las tecnologías convencionales están limitadas en cuanto a la cantidad de energía térmica que se puede recuperar de los gases de combustión calientes y transferir al oxígeno o al gas natural. Normalmente, la temperatura del aire precalentado no supera los 650 °C.
Por lo tanto, existe la necesidad de precalentar un reactivo de combustión para un horno mediante la recuperación de calor de los gases de combustión que presente un riesgo reducido de fallo de seguridad catastrófico. También existe la necesidad de precalentar un reactivo de combustión para un horno mediante la recuperación de calor de los gases de combustión que presente una economía mejorada.
Sumario
Se divulga un horno que utiliza intercambio de calor recuperativo para precalentar un reactivo de combustión con energía térmica residual de los gases de combustión, que comprende: una cámara de combustión que incluye un espacio de combustión encerrado por una pared de horno en el que se queman un combustible y un oxidante para calentar vidrio sólido y/o fundido o material para fabricar vidrio o metal sólido y/o fundido y produciendo así gases de combustión; uno o más quemadores montados en la pared del horno adaptados y configurados para inyectar combustible precalentado y/u oxidante precalentado en el interior de la cámara de combustión para su combustión en la misma. Según la invención, el horno comprende un conducto que se extiende a lo largo de un eje y que tiene un primer extremo que recibe al menos una porción de los gases de combustión producidos en la cámara de combustión y un segundo extremo opuesto que descarga los gases de combustión recibidos; una o más paredes aislantes que se extienden en paralelo al eje del conducto y de manera adyacente a una superficie exterior del conducto, estando compuesta la pared aislante por un material aislante, estando definido un espacio de gas no reactivo entre una superficie exterior del conducto y una superficie interior de la pared aislante, una o más tuberías metálicas que se extienden a través del espacio de gas no reactivo, recibiendo las tuberías el oxidante de combustión o el combustible de combustión y descargando el oxidante de combustión o el combustible de combustión después de ser precalentados, en donde al menos porciones del conducto están compuesta por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK). En una realización de la invención, el conducto comprende un conjunto de cuatro pilares estructurales dispuestos en cuatro esquinas del conducto y también cuatro porciones de conducto, cada una de las cuales se extiende entre un par de pilares, estando hechas las porciones de conducto de un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK); un conjunto de cuatro paredes aislantes, cada una de las cuales se extiende adyacente y paralela a una respectiva de las porciones de conducto, estando dispuesto un espacio de gas no reactivo entre cada par de porción de conducto que se extiende adyacente y paralela y pared aislante; y uno o más conjuntos de una pluralidad de tuberías metálicas, extendiéndose cada conjunto a través de uno respectivo de los espacios de gas no reactivo, estando adaptado y configurado cada una de las tuberías metálicas para recibir un flujo de un reactivo de combustión y descargar el reactivo de combustión después precalentamiento del mismo, en el que los quemadores se comunican de manera fluida con las tuberías metálicas para recibir desde ellos el reactivo de combustión precalentado.
También se divulga un método de intercambio de calor recuperativo para precalentar un reactivo de combustión con energía térmica residual de los gases de combustión producidos por un horno. El método comprende las siguientes etapas. El combustible y el oxidante se inyectan desde uno o más quemadores montados en la pared de un horno a un espacio de combustión dentro de una cámara de combustión encerrada por una pared del horno del horno y el combustible y el oxidante inyectados se queman en el espacio de combustión, de ese modo calientan vidrio sólido y/o fundido o metal sólido y/o fundido y produciendo gases de combustión, en el que al menos uno del combustible y el oxidante se precalienta. Según la invención, los gases de combustión se reciben en un primer extremo de un conducto que se extiende a lo largo de un eje, en el que al menos porciones del conducto están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK). Los gases de combustión recibidos se descargan desde un segundo extremo del conducto. El intercambio de calor entre los gases de combustión y el conducto se realiza mediante intercambio de calor radiativo y convectivo. El calor se intercambia entre una o más de las porciones del conducto compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) y las una o más y una o más tuberías metálicas opuestas a dichas porciones mediante intercambio de calor radiativo a través de un espacio de gas no reactivo lleno de gas no reactivo, extendiéndose las una o más tuberías metálicas a través del espacio de gas no reactivo, estando definido el espacio de gas no reactivo entre una superficie exterior del conducto y una superficie interior de un pared aislante que se extiende en paralelo al eje del conducto y adyacente a la superficie exterior del conducto opuesta a una porción compuesta por un material que tiene una conductividad térmica mayor que 1 W/(mK). El calor se intercambia entre las una o más tuberías metálicas y el combustible u oxidante que fluye a través de las tuberías mediante intercambio de calor convectivo para proporcionar combustible precalentado u oxidante precalentado. El combustible precalentado o el oxidante precalentado se alimenta a los uno o más quemadores.
Uno o más de los hornos o métodos pueden incluir uno o más de los siguientes aspectos:
- el conducto es un conducto cerámico.
- las porciones del conducto que están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W /(mK) están dispuestas opuestas a las una o más de las tuberías metálicas
- el gas no reactivo es aire, el espacio de gas no reactivo se comunica libremente con el aire ambiente, opcionalmente mediante convección natural, y no se utiliza ningún dispositivo mecánico para crear un flujo de aire a través del espacio de gas no reactivo.
- una fuente de combustible gaseoso está en comunicación de flujo con dicha una o más tuberías.
- una fuente de oxidante está en comunicación de flujo con dicha una o más tuberías.
- el oxidante es aire enriquecido con oxígeno, oxígeno industrialmente puro, una mezcla de oxígeno industrialmente puro y gases de combustión recirculados, o una mezcla de oxígeno industrialmente puro y dióxido de carbono
- la fuente de oxidante es una unidad criogénica de separación de aire, una unidad de adsorción por oscilación de vapor o un vaporizador alimentado con oxígeno líquido desde un tanque de oxígeno líquido.
- el material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) es un material cerámico o una aleación metálica,
- el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) es un mortero refractario que tiene un contenido de SiC preferiblemente del 30 % o superior o del 70 % o superior.
- la totalidad del conducto está compuesta por el material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(m-K).
- la totalidad del conducto está compuesta por el material que tiene una conductividad térmica superior a 3 W/(m-K).
- algunas porciones del conducto están compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) y las porciones restantes del conducto están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica menor o igual a 1 W/(mK).
- el espesor de la pared del conducto es de 1-10 cm.
- el material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W /(mK) es una aleación metálica y tiene un espesor de pared del conducto igual o inferior a 10 cm.
- el conducto tiene una configuración de sección transversal rectangular con primer, segundo, tercero y cuarto lados y las una o más paredes aislantes comprenden correspondientes primera, segunda, tercera y cuarta paredes aislantes; la primera pared aislante está dispuesta adyacente y espaciada del primero de los lados y uno o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un primer espacio de gas no reactivo entre la primera pared aislante y el primer lado; una segunda pared aislante está dispuesta adyacente y espaciada de un segundo de los lados y uno o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un segundo espacio de gas no reactivo entre la segunda pared aislante y el segundo lado; una tercera pared aislante está dispuesta adyacente a y espaciada de un tercero de los lados y uno o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un tercer espacio de gas no reactivo entre la tercera pared aislante y el tercer lado; y una cuarta pared aislante está dispuesta adyacente a y espaciada de un cuarto de los lados y uno o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un cuarto espacio de gas no reactivo entre la cuarta pared aislante y el cuarto lado.
- cada una de las paredes aislantes está montada reversiblemente en el conducto y cada uno de los lados del conducto opuestos a una pared aislante incluye porciones compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK); cada uno de los lados del conducto también incluye porciones restantes compuestas por un material cerámico que tiene una conductividad térmica igual o menor que 1 W/(mK); y las porciones compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) se montan de manera reversible en aberturas formadas en las porciones restantes para permitir que cualquiera de las porciones compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) sea sustituida sin necesidad de apagar el horno.
- el conducto está compuesto por cuatro pilares dispuestos en las cuatro esquinas respectivas del conducto y cuatro porciones de conducto, cada una de las cuales se extiende entre un par de pilares respectivos de modo que la primera de las cuatro porciones de conducto es paralela a una tercera de las cuatro porciones de conducto y una segunda de las cuatro porciones de conducto es perpendicular a la primera de las cuatro porciones de conducto y paralela a una cuarta de las cuatro porciones de conducto; las una o más paredes aislantes comprenden correspondientes primera, segunda, tercera y cuarta paredes aislantes que se extienden paralelas a la primera, segunda, tercera y cuarta porciones de conducto, respectivamente, para definir el primer, segundo, tercero y cuarto espacios de gas no reactivas, respectivamente; un primer conjunto de una o más tuberías metálicas se extiende a través del primer espacio de gas no reactivo; un segundo conjunto de una o más tuberías metálicas se extiende a través del segundo espacio de gas no reactivo; un tercer conjunto de una o más tuberías metálicas se extiende a través del tercer espacio de gas no reactivo; un tercer conjunto de una o más tuberías metálicas se extiende a través del tercer espacio de gas no reactivo; y cada una de las cuatro porciones de conducto está compuesta por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK).
- las una o más paredes aislantes comprenden una pared aislante con una configuración de sección transversal circular que rodea concéntricamente el conducto que también tiene una configuración de sección transversal circular.
- el gas no reactivo es aire, el espacio de gas no reactivo se comunica libremente con el aire ambiente y no se utiliza ningún dispositivo mecánico para crear un flujo de aire a través del espacio de gas no reactivo.
- el combustible fluye a través de las una o más tuberías y el combustible precalentado se alimenta a los uno o más quemadores.
- el oxidante fluye a través de las una o más tuberías y el oxidante precalentado se alimenta a los uno o más quemadores.
- el oxidante es aire enriquecido con oxígeno, oxígeno industrialmente puro, una mezcla de oxígeno industrialmente puro y gases de combustión recirculados o una mezcla de oxígeno industrialmente puro y dióxido de carbono.
- el oxidante es oxígeno industrialmente puro producido por una unidad criogénica de separación de aire, una unidad de adsorción por oscilación de vapor o un vaporizador alimentado con oxígeno líquido desde un tanque de oxígeno líquido.
- la totalidad de todo el oxidante alimentado a los uno o más quemadores tiene un contenido de oxígeno de al menos un 24 % en volumen.
- el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) es un mortero refractario, preferiblemente de SiC, más preferiblemente que tiene un contenido de SiC de al menos el 70 %. - la totalidad del conducto está compuesta por el material cerámico que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK).
- algunas porciones del conducto están compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) y las porciones restantes del conducto están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica menor o igual a 1 W/(mK).
- el combustible fluye a través de las tuberías y el combustible precalentado se alimenta a los uno o más quemadores.
- el combustible fluye a través de algunas de las tuberías, el oxidante fluye a través de otras tuberías y el combustible precalentado y el oxidante precalentado se alimentan a los uno o más quemadores. - la temperatura de los gases de combustión es de 1.100-1.550 °C.
- el material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) tiene una conductividad térmica superior a 3 W/(mK).
- el horno es un horno de vidrio y el combustible y el oxidante se queman para calentar vidrio sólido y/o fundido o materiales de fabricación de vidrio.
- el horno es un horno de fusión de metal y el combustible y el oxidante se queman para calentar metal sólido y/o fundido.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la naturaleza y los objetos de la presente invención, se debe hacer referencia a la siguiente descripción detallada, considerada junto con los dibujos adjuntos, en los que elementos similares reciben los mismos números de referencia o unos análogos y donde:
La figura 1es una vista esquemática en planta superior de un horno de aire precalentado convencional.
La figura 2es una vista esquemática de la sección transversal superior de un tipo de recuperador utilizado en hornos convencionales de aire precalentado.
La figura 3es una vista esquemática de la sección transversal superior de un tipo de recuperador utilizado en hornos convencionales de aire precalentado.
La figura 4es una vista en planta superior esquemática de una realización del nuevo horno que utiliza oxígeno precalentado o combustible precalentado.
La figura 5es una vista esquemática en sección transversal superior de una realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 6es una vista esquemática en sección transversal superior de otra realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 7es una vista esquemática en sección transversal lateral de otra realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 8es una vista esquemática en sección transversal superior de otra realización más del recuperador del nuevo horno.
La figura 9Aes una vista esquemática en sección transversal lateral de una porción de otra realización más del recuperador del nuevo horno.
La figura 9Bes una vista esquemática en sección transversal lateral de una porción de otra realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 9Ces una vista esquemática en sección transversal lateral de una porción de otra realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 9Des una vista esquemática en sección transversal lateral de una porción de otra realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 10es una vista esquemática en perspectiva del recuperador de la figura 8.
La figura 11es una vista esquemática en perspectiva del recuperador de la figura 8 con partes eliminadas.
La figura 12es una vista esquemática en perspectiva del recuperador de la figura 8 con partes eliminadas.
La figura 13Aes una vista esquemática en sección transversal superior de otra realización del recuperador del nuevo horno.
La figura 13Bes una vista esquemática en sección transversal superior de otra realización más del recuperador del nuevo horno.
La figura 13Ces una vista esquemática en sección transversal superior de otra realización más del recuperador del nuevo horno.
La figura 14Aes una vista esquemática en sección transversal superior despiezada de una porción de las realizaciones de lasfiguras 13A-C.
La figura 14Bes una vista esquemática en sección transversal superior de una porción de las realizaciones de lasfiguras 13A-Cincluyendo una cuña opcional para asegurar una porción del conducto.
La figura 14Ces una vista esquemática frontal de las realizaciones de lasfiguras 13A-13Ccon partes eliminadas en las que las porciones de conducto se apilan una encima de otra.
La figura 14Des una vista lateral esquemática despiezada de dos de las porciones de conducto de la realización de14C.
La figura 15Aes un esquema de flujos de calor para métodos convencionales de transferencia de calor.
La figura 15Bes un esquema de flujos de calor para un ejemplo ilustrativo de la invención.
Descripción de realizaciones preferidas
Uno o ambos reactivos de combustión (es decir, oxidante y combustible) se precalientan mediante la recuperación del calor de los gases de combustión producidos por los reactivos de combustión mediante la utilización de un recuperador radiativo con un riesgo reducido de fallo catastrófico de seguridad por el contacto directo del reactivo de combustión precalentado y los gases de combustión.
Más específicamente, el oxidante y el combustible, incluido el oxidante precalentado y/o el combustible precalentado, se queman mediante uno o más quemadores montados en un horno, produciendo de este modo un flujo de gases de combustión calientes. El flujo de gases de combustión calientes está rodeado por un conducto para la evacuación de los gases de combustión calientes del horno.
En uno o más lados del conducto, o rodeándolo, hay una pared aislante hecha de aislamiento refractario. En el caso de una pared aislante que rodea el conducto, se dispone un espacio de gas no reactivo (opcionalmente en comunicación fluida con el aire ambiente) entre una superficie exterior del conducto y una superficie interior de la pared aislante. En el caso de una pared aislante en uno o más lados del conducto, uno o más espacios de gas no reactivo correspondientes (opcionalmente en comunicación fluida con el aire ambiente) están dispuestos entre una superficie exterior del conducto y una superficie interior de la(s) correspondiente(s) pared(es) aislante(s). Una lista no limitativa de tipos de gases no reactivos incluye aire, dióxido de carbono, vapor de agua y/o nitrógeno.
En cualquier caso, una pluralidad de tuberías metálicas se extiende a través del espacio o espacios de gas no reactivo y contiene flujos de combustible gaseoso o de oxidante rico en oxígeno que se va a precalentar. El calor de los gases de combustión calientes se transfiere por radiación (y, en menor grado, por convección) al conducto. Como medio de radiación primario, el calor del conducto se transfiere radiativamente a través del espacio o espacios de gas no reactivo hasta las tuberías metálicas. El calor también se transfiere por radiación a través del espacio o espacios de gas no reactivo hasta las paredes aislantes, que actúan como un medio de radiación secundario al irradiar el calor de regreso a las tuberías metálicas. Para mejorar la transferencia de calor, una o más porciones del conducto opuestas a las tuberías metálicas y la pared aislante, es decir, que bordean un espacio de gas no reactivo, están compuestas por un material que presenta una conductividad térmica de más de 1 W/(mK), preferentemente más de 3 W/(mK). El material que presenta una conductividad térmica superior a 1 W/(m K) y preferentemente el material que presenta una conductividad térmica superior a 3 W/(mK), puede ser un material cerámico o metálico. Un experto en la técnica reconocerá que dicha conductividad térmica es significativamente mayor que la de los materiales aislantes refractarios convencionales utilizados para construir o rodear conductos de gases de combustión y para evitar el sobrecalentamiento del entorno alrededor del conducto de gases de combustión. El calor irradiado a través del espacio de gas no reactivo desde el conducto y las paredes aislantes hasta las tuberías metálicas se transfiere a su vez por convección a los flujos de combustible gaseoso u oxidante rico en oxígeno contenido dentro de las tuberías. Por una o más porciones, queremos decir que la totalidad del conducto puede estar compuesta por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) o menos de que la totalidad del conducto puede estar compuesta por el material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK). Las ventajas de un conducto que tiene solo una o más porciones (y no la totalidad) compuestas por tal material se describirán a continuación.
A diferencia de la técnica de precalentamiento del reactivo de combustión del documento US 6.250.916 (que utiliza un ventilador para crear un flujo de aire frío para precalentar en un recuperador metálico y usarlo como fluido de intercambio de calor intermedio), no se requiere ningún soplador, ventilador, reforzador, compresor o equipo similar para el aire en movimiento está presente con el fin de forzar un flujo de aire a través de las tuberías metálicas en el espacio(s) de gas no reactivo para lograr una transferencia de calor por convección optimizada entre el aire calentado y las tuberías metálicas. Más bien, el aire es normalmente estático en la técnica inventiva de transferencia de calor y opcionalmente se le permite fluir dentro y fuera del espacio contenido por el conducto y el aislamiento refractario. De hecho, si el aire ambiente entra en el espacio de gas no reactivo desde una altura relativamente menor y se permite que aire caliente salga del espacio de gas no reactivo desde una altura relativamente mayor, se puede crear una corriente natural debido al aumento de la flotabilidad del aire después de calentarlo dentro del espacio de gas no reactivo. Por tanto, un experto en la técnica reconocerá que el aire de la técnica inventiva de transferencia de calor no se utiliza normalmente como medio de intercambio de calor para la transferencia de calor por convección. Sin embargo, opcionalmente se puede utilizar un soplador o ventilador para forzar un flujo de aire dentro y fuera del espacio de gas no reactivo con el fin de purgar el espacio(s) de gas no reactivo en caso de que se produzca una fuga de oxidante de combustión o de combustible de combustión en el espacio(s) de gas no reactivo o se cree que está presente. De manera similar, se puede usar opcionalmente un soplador o ventilador para forzar un flujo de aire dentro y fuera del espacio de gas no reactivo en caso de que sea necesario enfriar las tuberías metálicas en caso de un cambio en la temperatura del proceso. En cualquiera de estos dos casos, un experto en la técnica reconocerá que el uso rutinario de dicho soplador o ventilador no tiene el propósito de efectuar una transferencia de calor por convección entre el conducto y las tuberías metálicas utilizando el aire en el espacio(s) de gas no reactivo como medio de intercambio de calor. También el
Los gases de combustión se producen en un horno que incluye un espacio de combustión encerrado por una pared del horno en la que están montados uno o más quemadores. Los quemadores inyectan el combustible precalentado y/o el oxidante precalentado en el espacio de combustión donde se queman para producir los gases de combustión. Dado que el oxidante y/o el combustible se precalientan, es necesario quemar menos combustible para producir una cantidad equivalente de calor dentro del horno. Los quemadores pueden inyectar combustible no precalentado y oxidante precalentado, combustible precalentado y oxidante no precalentado, o ambos, combustible precalentado y oxidante precalentado. En el caso de un horno de fusión suelen estar presentes entre uno y dieciocho quemadores. Más particularmente, normalmente están presentes hasta dieciocho quemadores en un horno de fusión de vidrio relativamente más grande y normalmente están presentes 2 quemadores en un horno de vidrio del tipo de puerto terminal.
En el caso de un combustible precalentado (que se precalienta en las tuberías metálicas del recuperador de la invención), es gaseoso, como gas natural, biogás, gas de hulla, gas de síntesis o gas de bajo poder calorífico. Para los combustibles que no se precalientan en las tuberías metálicas del recuperador de la invención, dichos combustibles pueden estar a temperatura ambiente o precalentarse mediante una técnica diferente e incluyen combustibles sólidos (como carbón, coque de petróleo, biomasa o residuos), combustibles líquidos (como fueloil) y combustibles gaseosos (como gas natural, biogás, gas de carbón, gas de síntesis o gas de bajo poder calorífico).
En el caso de un oxidante precalentado en las tuberías metálicas del recuperador de la invención, éste tiene un contenido de oxígeno superior al del aire, como por ejemplo aire enriquecido con oxígeno, oxígeno industrialmente puro, una mezcla de oxígeno industrialmente puro y gases de combustión recirculados, o una mezcla de oxígeno industrialmente puro y dióxido de carbono. El aire enriquecido con oxígeno se obtiene típicamente mezclando aire con oxígeno industrialmente puro o mezclando oxígeno industrialmente puro con nitrógeno industrialmente puro. El oxígeno industrialmente puro es oxígeno que se obtiene de una unidad criogénica de separación de aire, una unidad de adsorción por oscilación de vapor (VSA) o un vaporizador alimentado con oxígeno líquido desde un tanque de oxígeno líquido. La selección del tipo específico de fuente de oxígeno dependerá del caudal requerido por los quemadores del horno en cuestión. Normalmente, el contenido global de oxígeno de la totalidad de todos los oxidantes inyectados por el(los) quemador(es) del horno es de al menos el 24 %, más particularmente, al menos el 29 %. Para los oxidantes (quemados por el quemador o por uno o más de los quemadores del horno) que no son precalentados en las tuberías metálicas del recuperador de la invención, dichos oxidantes pueden estar a temperatura ambiente o precalentados por una técnica diferente e incluyen aire, aire enriquecido con oxígeno, oxígeno industrialmente puro, una mezcla de oxígeno industrialmente puro y gases de combustión recirculados, o una mezcla de oxígeno industrialmente puro y dióxido de carbono como se describe anteriormente.
Los gases de combustión se descargan desde el espacio de combustión hacia un conducto cerámico o de aleación donde se utiliza su energía térmica para precalentar el combustible u oxidante como se describió anteriormente. Los gases de combustión pueden recibirse directamente en el conducto desde el espacio de combustión o los gases de combustión pueden atravesar un conducto intermedio que comunica fluidamente entre el espacio de combustión y el interior del conducto. Los gases de combustión suelen estar a una temperatura de 600 °C-1.550 °C. Si bien se compone principalmente por CO2, humedad y N2, puede incluir materiales corrosivos como vapores alcalinos producidos por hornos de vidrio o sustancias corrosivas producidas por hornos de fusión de metales. La corrosión del horno puede ocurrir cuando dichos vapores se condensan en las superficies del horno. Un experto en la técnica entenderá que dichos vapores alcalinos normalmente incluyen NaOH y KOH. Como lo resume Kobayashi, las reacciones de los vapores alcalinos con los ladrillos de sílice (especialmente el aglutinante de wollastonita) en la corona del horno. Kobayashi,et al,"TCF Technology for Oxy-Fuel Glassmelting" (primera parte), Boletín de la Sociedad Estadounidense de Cerámica, vol. 84, n.° 2 (febrero de 2005). Los gases de combustión también pueden contener una cantidad de combustible no quemado.
Los gases de combustión producidos en el espacio de combustión se reciben en un extremo del conducto y se descargan en un extremo opuesto del conducto. La sección transversal del conducto puede configurarse como cualquier forma geométrica regular, incluidos, entre otros, un círculo, un óvalo, un rectángulo y un cuadrado.
Como se mencionó anteriormente, las una o más porciones del conducto opuestas a las tuberías metálicas y una pared aislante están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(m K), preferiblemente más de 3 W/(m K). Los materiales adecuados incluyen cerámica y aleaciones metálicas. En el presente contexto, el término "cerámica" se utiliza en un sentido amplio y se refiere a sólidos inorgánicos no metálicos que permanecen en estado sólido y no se ablandan ni se funden cuando se calientan a las temperaturas que se producen en el horno. El término "material cerámico", tal como se utiliza en el presente documento, también incluye cerámica en sentido estricto, es decir; sólidos inorgánicos no metálicos que han sido sometidos a altas temperaturas (como, por ejemplo, superiores a 1100 °C) -también denominadas cocción- durante su fabricación y que, una vez fabricados, permanecen en estado sólido y no se ablandan ni se funden cuando se calienta a las temperaturas que ocurren en el horno. Un experto habitual en la técnica reconocerá que tales materiales incluyen refractarios dado que los refractarios están hechos principalmente de cerámicas tales como alúminas, silicatos, carburo de silicio, circonias, etc. Las cerámicas particularmente adecuadas incluyen refractarios moldeables y refractarios electrofundidos que tienen una temperatura relativamente alta. contenido de SiC (tal como al menos 30 % o al menos 70 %) o cerámicas sinterizadas tales como SiC unido con nitruro. Otros materiales cerámicos adecuados incluyen, entre otros, alúmina electrofundida y silicatos de alúmina-zirconia electrofundida. Las aleaciones metálicas adecuadas incluyen, entre otras, Kanthal y alto contenido de Ni-Cr tales como 310ss, Incoloy 800/825 e Inconel 600/625.
La conductividad térmica relativamente alta permite que el calor se transfiera satisfactoriamente, mediante transferencia de calor por radiación, entre la porción y las tuberías metálicas y entre la porción y la pared aislante, y mediante transferencia de calor convectiva entre las tuberías metálicas y el reactivo de combustión que fluye a través de las tuberías metálicas. Como se mencionó anteriormente, no es necesario que la totalidad del conducto esté hecho de material cerámico o metálico que tenga la conductividad térmica mínima especificada. Más bien, algunas porciones del conducto pueden estar compuestas por un material que tenga una conductividad térmica superior a 1 W/(mK), mientras que las porciones restantes del conducto, y en particular aquellas que no están orientadas hacia las tuberías metálicas o que no son adyacentes a las tuberías metálicas, podrán estar fabricadas de un material que tenga una conductividad térmica igual o inferior a 1 W/(mK). Porciones del conducto compuestas por materiales que tienen una conductividad térmica igual o inferior a 1 W/(mK) también pueden disponerse en áreas del conducto con temperaturas muy altas (es decir, 1250 °C o más) debido al aumento de la radiación de calor a temperaturas tan altas puede ayudar a compensar la conductividad relativamente más baja. Esto puede ser ventajoso si las porciones restantes del conducto compuestas por un material que tiene una conductividad térmica igual o menor que 1 W/(mK) es menos costosa que el material de mayor conductividad térmica (es decir, mayor que 1 W/(mK)) o tiene alguna otra ventaja en comparación con el material de mayor conductividad térmica. Como ejemplo concreto, si solo es necesario que una longitud relativamente corta de las tuberías metálicas esté en relación de transferencia de calor por radiación con el conducto para precalentar suficientemente el oxidante o el combustible, solo es necesario fabricar aquellas porciones del conducto que miran a la longitud relativamente corta del material que tenga la conductividad térmica requerida. De esta manera, las porciones restantes del conducto que no están en relación de transferencia de calor por radiación con las tuberías metálicas no necesitan estar hechas del material que tenga la conductividad térmica requerida. Además, si las porciones del conducto que no están opuestas a las tuberías metálicas están hechas de un material que tenga una conductividad térmica inferior a 1 W/(mK), dicho material ayudará a evitar el sobrecalentamiento de los alrededores del conducto. Por tanto, una configuración de este tipo sería relativamente más segura.
Si bien el material de las porciones del conducto que tienen la conductividad térmica requerida no se limita a la cerámica, en comparación con las aleaciones metálicas, las cerámicas tienen las siguientes ventajas. Los expertos en la técnica del intercambio de calor recuperativo reconocerán que la resistencia a la corrosión que presentan los materiales cerámicos puede ser significativamente superior a la de una amplia variedad de metales. Esto es importante porque, si la porción con una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) del conducto estuviera compuesta por un material metálico, generalmente sería probable que se volviera porosa a un ritmo mucho mayor. Esto conduciría inevitablemente a la formación prematura de un flujo de gases de combustión hacia el interior del entrehierro y a un ataque corrosivo de las tuberías metálicas que transportan el reactivo de combustión. Si las tuberías se corroen de manera similar, a través del contacto con los gases de combustión corrosivos y de alta temperatura, hasta el punto de volverlas no herméticas, aumenta el riesgo de un fallo de seguridad catastrófica. Puede ocurrir una falla de seguridad catastrófica cuando el combustible a alta temperatura (mediante precalentamiento) se quema de manera incontrolada entre el conducto y las tuberías metálicas o dentro del conducto con oxígeno residual presente en los gases de combustión. También puede ocurrir una falla de seguridad catastrófica cuando el oxidante de alta temperatura (mediante precalentamiento) se quema de manera incontrolada entre el conducto y las tuberías metálicas o dentro del conducto con cualquier combustible no quemado o quemado incompletamente presente en los gases de combustión. Nuevamente, si la porción con una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) estuviera compuesta por un material metálico en lugar de un material cerámico, dicha porción metálica podría reemplazarse con frecuencia para evitar el fallo de seguridad mencionado anteriormente, esto representa una interrupción del proceso y es relativamente costoso. Además, aunque algunos metales exhiben cierto grado de resistencia a la corrosión, como Hastelloy, dichos metales son generalmente significativamente más caros que otros metales normalmente utilizados en intercambiadores de calor recuperativos. A diferencia de las porciones con una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) hechas de un material metálico, la resistencia a la corrosión relativamente mayor que presentan muchos materiales cerámicos permite que el conducto se utilice durante un tiempo relativamente largo antes de reemplazar la porción con una conductividad térmica superior a 1 W/(mK). De hecho, basándose en la resistencia bien establecida a las altas temperaturas y a los ambientes corrosivos que presentan la mayoría de los materiales cerámicos en contraste con la mayoría de los materiales metálicos, creemos que la vida útil de la porción cerámica con una conductividad térmica de más de 1 W/(m- K) serán múltiplos de la vida útil de uno hipotéticamente fabricado en material metálico.
Por otro lado, las aleaciones metálicas presentan algunas ventajas que normalmente no presentan las cerámicas. Las aleaciones metálicas son menos costosas que muchos materiales cerámicos. Las aleaciones metálicas son más fáciles de fabricar porque pueden moldearse o doblarse fácilmente. Los conductos fabricados con aleaciones metálicas son más fáciles de acoplar con otros componentes que también son metálicos. En comparación con la cerámica, las aleaciones metálicas presentan un menor riesgo de rotura durante la manipulación y, por tanto, facilitan la manipulación durante la construcción del conducto.
El diámetro exterior (OD), el diámetro interior (ID) y el espesor de pared de la porción con una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) dependerán del caudal y la temperatura de los gases de combustión, el caudal de combustión reactivo y la temperatura a la que se desea precalentar el reactivo de combustión. Para mantener una integridad mecánica satisfactoria del conducto, el espesor de la pared suele ser de aproximadamente 1-10 cm.
Alrededor del conducto se disponen una pluralidad de tuberías metálicas con espacios entre la porción con una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) y las tuberías, entre cada una de las tuberías, y entre las tuberías y la pared(es) aislante correspondiente. Las tuberías metálicas transportan el reactivo de combustión a través de la porción de intercambio de calor recuperativo del sistema donde se precalientan mediante transferencia de calor con los gases de combustión. Las tuberías están hechas de un material metálico donde ejemplos no limitantes incluyen acero inoxidable 304, acero inoxidable 310, aleaciones de níquel y cualquiera de las series Inconel (como 600 o 625). Las tuberías son estancas al gas. Con esto, queremos decir que las tuberías no permiten que el gas no reactivo del exterior de las tuberías se filtre al interior de las tuberías para mezclarse con el reactivo de combustión o permitir que el reactivo de combustión se escape fuera de las tuberías para mezclarse con el gas no reactivo fuera de las tuberías. Los flujos de oxidante (o combustible) precalentado de todas las tuberías pueden combinarse para proporcionar un único flujo de oxidante (o combustible) precalentado. Alternativamente, los flujos individuales de oxidante (o combustible) precalentado pueden mantenerse separados y sin combinar. En otra alternativa más, se pueden combinar flujos de oxidante (o combustible) precalentado desde dos o más tuberías (pero desde menos de todas las tuberías). El OD, el diámetro interno ID y el espesor de la pared de las tuberías dependerán del número de tuberías utilizadas para un caudal y temperatura determinados de los gases de combustión, la temperatura a la que se desea precalentar el reactivo de combustión y el OD, ID y espesor de pared de la porción con una conductividad térmica superior a 1 W/(m-K).
Como se analizó anteriormente, las tuberías metálicas y la porción cerámica o metálica con una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) pueden estar rodeados por una pared aislante, que sirve como medio de radiación secundario. En este caso, aunque la sección transversal de la pared aislante suele tener la misma forma geométrica regular que la de la porción con una conductividad térmica superior a 1 W/(mK), no es necesario que lo sea. En este mismo caso, normalmente la sección transversal tanto de la pared aislante como de la porción con una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) se configura como un cuadrado, un rectángulo o un círculo.
También como se analizó anteriormente, puede haber dos o más paredes aislantes, cada una de las cuales está dispuesta en un lado respectivo del conducto con un espacio de gas no reactivo asociado (a través del cual se extienden uno o más de la pluralidad de tuberías) dispuesto entre un determinado par de una pared aislante y un lado del conducto respectivo que comprende una porción con una conductividad térmica de más de 1 W/(mK). Esta realización ofrece la ventaja de un mantenimiento más fácil y un funcionamiento continuo del horno en caso de que sea necesario reemplazar o reparar menos de todas las tuberías metálicas o tan solo una de las tuberías metálicas. En lugar de tener que detener el funcionamiento del calefactor y quitar una pared aislante que rodea todas las tuberías metálicas solo para quitar o reemplazar una o menos de todas las tuberías, solo la pared aislante adyacente a las tuberías metálicas específicas que necesitan reparación o es necesario retirar el reemplazo. De esta manera, las otras paredes aislantes pueden permanecer en su lugar y no es necesario detener el funcionamiento del horno. Un experto en la técnica reconocerá que puede haber muchas permutaciones de la realización antes mencionada. Por ejemplo, el conducto puede tener una configuración de sección transversal cuadrada que tiene cuatro lados, donde una pared aislante está dispuesta en relación espaciada con uno de los lados y uno o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un respectivo espacio de gas no reactivo entre la pared aislante asociada/lado del conducto. Como otro ejemplo, el conducto puede tener una configuración de sección transversal cuadrada que tiene cuatro lados, donde
- una primera pared aislante está dispuesta adyacente y espaciada del primero de los lados y una o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un primer espacio de gas no reactivo entre la primera pared aislante y el primer lado,
- una segunda pared aislante está dispuesta adyacente y espaciada de un segundo de los lados y una o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un segundo espacio de gas no reactivo entre la segunda pared aislante y el segundo lado,
- una tercera pared aislante está dispuesta adyacente a y espaciada de una tercera de los lados y una o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un tercer espacio de gas no reactivo entre la tercera pared aislante y el tercer lado, y
- una cuarta pared aislante está dispuesta adyacente a y espaciada de un cuarto de los lados y una o más de las tuberías metálicas se extienden a través de un cuarto espacio de gas no reactivo entre la cuarta pared aislante y el cuarto lado,
Un experto en la técnica reconocerá además que solo dos o solo tres de los lados del conducto pueden tener paredes aislantes asociadas dispuestas adyacentes a ellos en una relación espaciada.
Por razones de seguridad, la pared exterior está compuesta por un material aislante, de modo que no se pierda energía térmica y los equipos, procesos y personas que se encuentran fuera de la pared exterior no estén expuestos a ambientes de alta temperatura. El diámetro exterior, el diámetro interior, el espesor y el material de construcción de la pared exterior dependerán de la temperatura y el caudal de los gases de combustión a través del conducto y de la cantidad de calor transferido al reactivo de combustión. Normalmente, la distancia entre la superficie exterior del conducto y la superficie interior del aislamiento es de 10 cm o menos.
El proceso de transferencia de calor funciona de la siguiente manera. El calor se transfiere desde los gases de combustión al conducto en gran medida mediante transferencia de calor radiativo. Actuando como un medio de calor radiativo, la porción con una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) del conducto transfiere calor a las tuberías metálicas en gran medida mediante transferencia de calor radiativo a través del/de los espacio/s de gas no reactivo entre el conducto y las tuberías. El calor también se transfiere desde el conducto a las paredes aislantes mediante transferencia de calor por radiación a través del/de los espacio/s de gas no reactivo entre el conducto y las paredes aislantes. Actuando también como medio de calor radiante, las paredes aislantes irradian calor de vuelta a las tuberías metálicas. Finalmente, el calor se transfiere desde las tuberías al reactivo de combustión (ya sea oxidante rico en oxígeno o combustible gaseoso) en gran parte mediante transferencia de calor convectiva.
La técnica de transferencia de calor antes mencionada se puede distinguir de los métodos de transferencia de calor convencionales en el campo de la invención, como el del documento US 9.618.203, que divulga un horno y un método de intercambio de calor recuperativo que tiene las características especificadas en el preámbulo de la reivindicación 1 y de reivindicación 10 respectivamente.
En los métodos convencionales de transferencia de calor y como se muestra mejor en lafigura 15A, el calor se transfiere por radiación (Q<r>) de los gases de combustiónFGa un tuboThecho de metal. Luego el calor se transfiere a lo ancho del tuboTpor conducción (Q<cond>). Luego el calor se transfiere al aireHApara precalentamiento por convección (Q<conv>). Las fugas de calor se reducen mediante la colocación de aislamientoI.
En la invención y como mejor se muestra en lafigura 15B, el calor se transfiere desde los gases de combustiónFGa un conductoD(al menos porciones de las cuales tienen una conductividad térmica superior a 1 W/(mK)) por radiación (Q<r>). Luego el calor se transfiere a lo ancho del conductoDpor conducción (Q<cond>). Luego el calor se transfiere desde el conductoDa través del espacio de gas no reactivoNRGa una tubería metálicaMPpor radiación (Q<r>). Luego el calor se transfiere a través de la pared de la tubería metálicaMPpor conducción (Q<cond>) y de ahí en adelante al reactivo de combustiónCRfluyendo a través de la tubería metálicaMPpor convección (Q<conv>). Porque las tuberías metálicasMPno bloquean completamente el camino desde el conductoDa la pared aislanteIW, el calor también se transfiere desde el conductoDa la pared aislante por radiación (Q<r>). Por lo tanto, el calor también se transfiere desde la pared aislante a través del espacio de gas no reactivoNRGa la otra pared de la tubería metálicaMPpor radiación (Q<r>). Posteriormente, el calor se transfiere a lo ancho de esa tubería metálicaMPpared por conducción (Q<cond>) y de ahí en adelante al reactivo de combustiónCRpor convección (Q<conv>).
Cuando se le presentó la técnica del documento US 9.618.203, un experto en la técnica habría considerado desventajoso incluir un conducto entre los gases de combustiónFGy el tuboT. Esto se debe a que la inclusión de un conducto habría disminuido significativamente la eficiencia de la transferencia de calor desde los gases de combustiónFGal aire para precalentarHA. En la invención, debido a que hay una gran cantidad de energía térmica en los gases de combustiónFGdisponible para la transferencia final al reactivo de combustiónCRy existe una creciente preocupación por la seguridad, la disminución significativa en la eficiencia de la transferencia de calor desde los gases de combustiónFGfinalmente al reactivo de combustiónCRse considera aceptable.
Ahora discutiremos varias realizaciones estructurales del nuevo horno y recuperador.
Como se muestra mejor en lafigura 4, flujos del primer reactivo de combustión105como un oxidante rico en oxígeno (o combustible gaseoso) y un segundo reactivo de combustión precalentado103tales como combustible gaseoso (u oxidante rico en oxígeno) se dividen en múltiples subflujos y son recibidos por una pluralidad de quemadores101montado en la pared de un horno100. Los reactivos de combustión son quemados por los quemadores.101dentro de un espacio de combustión dentro del horno100para producir un flujo de gases de combustiónFG. El flujo de gases de combustión se conduce hacia un recuperador107(opcionalmente a través de un conducto109) donde el calor se transfiere desde los gases de combustión a una temperatura relativamente más altaFGcon flujo de temperatura relativamente más baja (como la ambiental) del segundo reactivo de combustión no precalentado109, produciendo así el flujo del segundo reactivo de combustión precalentado103. Un experto en la técnica reconocerá que, cuando el primer reactivo de combustión105es un oxidante rico en oxígeno, el segundo reactivo de combustión109es combustible gaseoso. Tal persona también reconocerá que, cuando el primer reactivo de combustión105es el combustible, el segundo reactivo de la combustión109es un oxidante enriquecido con oxígeno. Tal persona reconocerá además que el flujo del primer reactivo de combustión105también se puede precalentar en el recuperador.
107antes de ser introducido a los quemadores101de la misma manera que el flujo del segundo reactivo de combustión109. Esto podrá realizarse en el mismo recuperador107o en un segundo recuperador separado (no mostrado). Finalmente, en el caso en que el primer reactivo de combustión105es combustible (que no se precalienta en el recuperador107), opcionalmente podrá precalentarse mediante cualquier técnica conocida en el campo de la combustión con combustibles precalentados.
Como mejor se ilustra en lafigura 5, el recuperador107incluye un conducto1hecho al menos parcialmente de un material de acuerdo con la descripción anterior que está rodeado por una pared aislante3de acuerdo con la descripción anterior. El conducto1encierra un espacioFGpor donde circulan los gases de combustión. Un espacio de gas no reactivo5está compuesto por el espacio anular entre una superficie interior de la pared aislante3y el conducto1. Una pluralidad de tuberías metálicas7(que transporta el reactivo de combustión para precalentarlo) se extiende a través del espacio de gas no reactivo5. La pared aislante3es concéntrica con la porción1y ambos tienen una configuración de sección transversal circular. Un experto en la técnica reconocerá que tanto la pared aislante3y conducto1puede tener una configuración de sección transversal ovalada. El espacio del gas no reactivo5no es necesario incluirlo en la parte superior e inferior del recuperador107en cuyo caso el aire se comunica libremente entre la atmósfera ambiental y el espacio de gas no reactivo5. Alternativamente, para proporcionar una transferencia de calor más efectiva desde el conducto1a las tuberías metálicas7, en la parte superior e inferior del recuperador107, la pared aislante3puede extenderse por encima y por debajo del espacio de gas no reactivo5para encerrar así eficazmente el espacio de gas no reactivo5de modo que el gas no reactivo contenido en su interior sea estático (es decir, normalmente no puede salir del espacio de gas no reactivo5). Sin embargo, se pueden formar una o más aberturas (tales como en la parte superior e inferior) en la pared aislante3para permitir que el aire ambiente fluya libremente dentro y fuera del espacio de gas no reactivo5. Un experto en la técnica reconocerá que se pueden formar aberturas en la parte superior e inferior de la pared aislante3para permitir que las tuberías metálicas7extenderse a través del mismo.
Como se muestra mejor en lafigura 6, el recuperador107incluye un conducto11hecho al menos parcialmente de un material de acuerdo con la descripción anterior que está rodeado por una pared aislante13de acuerdo con la descripción anterior. El conducto11encierra un espacioFGpor donde circulan los gases de combustión. Un espacio de gas no reactivo15está compuesto por el espacio entre una superficie interior de la pared aislante13y el conducto11. Una pluralidad de tuberías metálicas17(que transporta el reactivo de combustión para precalentarlo) se extiende a través del espacio de gas no reactivo15. Como cada uno de los conductos11y pared aislante13tienen cuatro lados, las tuberías metálicas17se agrupan en cuatro subgrupos para transferir de manera más uniforme el calor de los gases de combustión calientes que fluyen a través del conducto11al reactivo de combustión que fluye a través de las tuberías17. La pared aislante13es concéntrica con el conducto11en que sus configuraciones de sección transversal comparten un centro común, pero en contraste con la realización de lafigura 4, ambos tienen una configuración de sección transversal cuadrada. De esta forma, cada uno de los cuatro lados de la pared aislante13es paralelo al lado respectivo del conducto11es adyacente a. Un experto en la técnica reconocerá que tanto la pared aislante13y conducto11puede tener una configuración de sección transversal rectangular. Similar a la realización de lafigura 5, el espacio de gas no reactivo15no es necesario incluirlo en la parte superior e inferior del recuperador107en cuyo caso el aire se comunica libremente entre la atmósfera ambiental y el espacio de gas no reactivo15. Alternativamente, para proporcionar una transferencia de calor más efectiva desde el conducto11a las tuberías metálicas17, en la parte superior e inferior del recuperador107, la pared aislante13puede extenderse por encima y por debajo del espacio de gas no reactivo15para encerrar así eficazmente el espacio de gas no reactivo15de modo que el gas no reactivo contenido en su interior sea estático (es decir, normalmente no puede salir del espacio de gas no reactivo15). Sin embargo, se pueden formar una o más aberturas (tales como en la parte superior e inferior) en la pared aislante13para permitir que el aire ambiente fluya libremente dentro y fuera del espacio de gas no reactivo15. Un experto en la técnica reconocerá que se pueden formar aberturas en la parte superior e inferior de la pared aislante13para permitir que las tuberías metálicas17extenderse a través del mismo.
Como mejor se ilustra en lafigura 7, el recuperador107incluye un conducto21hecho al menos parcialmente de un material de acuerdo con la descripción anterior y una pared aislante23. Una tubería metálica27(de una pluralidad de tuberías metálicas27) se extiende a través de un espacio de gas no reactivo25entre el conducto21y la pared aislante23. Los gases de combustión fluyen por el interiorFGdel conducto21mientras que el flujo de reactivo de combustión29fluye a través de la tubería metálica27. Similar a las variantes descritas para las realizaciones defiguras 5y6, una o más aberturasOpuede formarse en la parte inferior (y superior) del recuperador107para permitir que el aireAdesde la atmósfera ambiente para fluir libremente dentro y fuera del espacio de gas no reactivo25. Aberturas29También se forman en el conducto21para permitir que el aire fluya desde el espacio del gas no reactivo25al interior22del conducto21. Se forma un ligero vacío por la comunicación fluida entre el flujo de gases de combustión y el aireAen el espacio del gas no reactivo25para que el aireAfluye a través de las aberturas29del espacio de gas no reactivo25al interiorFG. Más particularmente, ningún dispositivo mecánico, tal como un soplador o un ventilador, se acciona continuamente para forzar un flujo de aire A a través del espacio de gas no reactivo (teniendo en cuenta las excepciones mencionadas anteriormente).
Como se muestra mejor en lafigura 8, el recuperador107Incluye un conducto de cuatro lados31que tiene una configuración de sección transversal cuadrada. También incluye cuatro paredes aislantes33, cada uno de los cuales está dispuesto adyacente a uno de los cuatro lados del conducto31en relación espaciada. Entre cada par de un lado del conducto31y una respectiva pared aislante3es un espacio de gas asociado no reactivo35. Mientras que los lados de las paredes aislantes33(adyacente a las cuatro esquinas del conducto31) se representan enfigura 8tal como se adjunta, un experto en la técnica reconocerá que no es necesario encerrar completamente los espacios de gas no reactivo35. Cada una de las cuatro paredes aislantes33es paralelo a uno respectivo de los cuatro lados del conducto11a él es adyacente a.
En la configuración de lafigura 8, un experto en la técnica reconocerá además cada emparejamiento de una pared aislante individual33y un grupo particular de tuberías metálicas37está provisto de su propia cámara (que contiene el espacio de gas no reactivo asociado35) que está definido por las superficies internas de la pared aislante33y la porción del conducto31que da a las tuberías. Esta configuración se puede utilizar para precalentar de forma más segura diferentes gases en diferentes grupos de tuberías metálicas37. Por ejemplo, un primer grupo de tuberías metálicas37puede usarse para precalentar un oxidante mientras que un segundo grupo de tuberías metálicas37puede usarse para precalentar un combustible. Porque el espacio de gas no reactivo35asociado al primer grupo de tuberías metálicas37está completamente cerrado por la combinación de la pared aislante33y la porción del conducto31frente a ese grupo de tuberías37, está aislado del espacio de gas no reactivo asociado al segundo grupo de tuberías metálicas37(que también está completamente cerrado por la combinación de su propia pared aislante asociada33y la porción asociada del conducto31frente a ese grupo de tuberías37). De este modo, se reduce el riesgo de que se produzca contaminación cruzada entre diferentes gases (como un oxidante y un combustible) precalentados en diferentes grupos de tuberías metálicas en caso de fallo de una de las tuberías metálicas.37. Cabe señalar que cada espacio de gas no reactivo35no es necesario que esté completamente encerrado por encima y/o por debajo del espacio de gas no reactivo35. Más bien, cada espacio de gas no reactivo35puede comunicarse libremente con la atmósfera ambiental. De esta manera, si bien se reduce el riesgo de contaminación cruzada, se reduce el riesgo de una acumulación localizada de oxidante o combustible dentro de un espacio de gas no reactivo35disminuye porque el espacio de gas no reactivo35puede ser purgado pasivamente por el tiro natural creado por el calentamiento del espacio de gas no reactivo35como se describió anteriormente.
Como mejor se ilustra en lafigura 9A, el recuperador107incluye una pared aislante43y tuberías metálicas47extendiéndose a través de un espacio de gas no reactivo 45 entre la pared aislante43y el conducto (no ilustrado en lafigura 9A). A diferencia de los recuperadores107representado en otrasfiguras,un panel de enfriamiento44se proporciona a lo largo de una superficie interior de la pared aislante43. El panel de enfriamiento44Incluye una pluralidad de tuberías de refrigeración46a través del cual fluye un medio refrigerante. Una superficie orientada hacia adentro del panel de enfriamiento44que mira hacia las tuberías metálicas47puede estar provista de un revestimiento de alta emisividad. De la manera anterior, en el caso de que la temperatura del reactivo de combustión calentado en las tuberías metálicas supere un límite deseado, el medio de enfriamiento que fluye a través de las tuberías de enfriamiento46para eliminar parte del calor que de otro modo se transferiría a la pared aislante43y así bajar la temperatura del reactivo de combustión precalentado.
Como se muestra mejor en lafigura 9B, el recuperador107incluye una pared aislante43y tuberías metálicas47extendiéndose a través de un espacio de gas no reactivo45entre la pared aislante43y el conducto (no ilustrado en lafigura 9B). A diferencia de los recuperadores107representado en otrasfiguras,una serie de tuberías de refrigeración46se proporciona entre las tuberías metálicas47y la pared aislante43a través del cual fluye un medio refrigerante. En el caso de que la temperatura del reactivo de combustión calentado en las tuberías metálicas supere un límite deseado, el medio refrigerante que fluye a través de las tuberías de refrigeración46enfría el aire en el espacio de gas no reactivo entre el conducto y la pared aislante43, que a su vez enfría las tuberías metálicas47y así reduce la temperatura del reactivo de combustión precalentado. El efecto de eliminación de calor se puede mejorar opcionalmente proporcionando la serie de tuberías de refrigeración46con una placa metálica48, aumentando así la superficie sobre la que tiene lugar el efecto de enfriamiento.
Como mejor se ilustra en lafigura 9C, el recuperador107incluye una pared aislante43y tuberías metálicas47extendiéndose a través de un espacio de gas no reactivo45entre la pared aislante43y el conducto (no ilustrado en lafigura 9B). A diferencia de los recuperadores107representado en otrasfiguras,una tubería de enfriamiento de aire46se proporciona dentro de cada tubería metálica47. Un medio refrigerante fluye a través de las tuberías de refrigeración por aire46de modo que, en el caso de que la temperatura del reactivo de combustión calentado en las tuberías metálicas supere un límite deseado, el medio refrigerante reduce la temperatura del reactivo de combustión precalentado que fluye a través de las tuberías metálicas47.
Como mejor se ilustra en lafigura 9D, el recuperador107incluye una pared aislante43y tuberías metálicas47extendiéndose a través de un espacio de gas no reactivo45entre la pared aislante43y el conducto (no ilustrado en lafigura 9A). A diferencia de los recuperadores107representado en otrasfiguras,un panel de transferencia de calor144se proporciona a lo largo de las tuberías metálicas47. El panel de transferencia de calor144está diseñado con una superficie relativamente grande para absorber cantidades significativas de calor irradiado por el conducto y la pared aislante43y posteriormente transferir ese calor a las tuberías metálicas47por conducción para mejorar el calentamiento del reactivo de combustión.
Como se muestra mejor en lasfiguras 10-12, el recuperador107incluye conducto cerámico o metálico51abierto en la parte superior e inferior del mismo para comunicarse fluidamente con el interior del horno100, opcionalmente a través del conducto109, y con el conducto que transporta el flujo del reactivo de combustión precalentado103. Como se explicará en detalle a continuación, el conducto51incluye porciones que exhiben una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) y otras porciones que exhiben una conductividad térmica de menos de 1 W/(mK). Si bien se entiende que una, dos, tres o cuatro paredes aislantes53puede proporcionarse adyacente a uno, dos, tres o cuatro lados del conducto51comprendiendo dicha porción, por motivos de simplicidad y claridad, solo un lado del conducto51se representa asociado a una pared aislante53en lasfiguras 10-12. Extendiéndose a través del espacio de gas no reactivo (no ilustrado) entre la pared aislante53y el conducto51son una pluralidad de tuberías metálicas57. Las tuberías metálicas57son alimentadas por un colector de entrada56, a su vez alimentado por un conducto de entrada54que transporta el reactivo de combustión relativamente más frío (tal como temperatura ambiente). El reactivo de combustión precalentado se retira de las tuberías metálicas57por un colector de salida56'y retirado del colector de salida56'por conducto de salida54'. Como se describió anteriormente, la realización de lasfiguras 10-12tiene la ventaja de que no es necesario apagar el horno para reparar o reemplazar menos de la totalidad de las tuberías metálicas57. Más bien, un operador solo necesita quitar la pared aislante particular53adyacente a las tuberías metálicas57deseado para reparación o reemplazo mientras el recuperador107continúa funcionando con normalidad.
Lafigura 11difiere de lafigura 10en que la pared aislante53se retira para revelar las porciones58del conducto51que están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK), mientras que lafigura 12además, se diferencia en que la extensión media de las tuberías metálicas57no están ilustrados. Cada una de estas porciones58que tienen una conductividad térmica de más de 1 W /(mK) pueden insertarse de forma extraíble en una abertura asociada58'en el conducto51. Mientras que la totalidad del conducto51, incluyendo ambas porciones58y las porciones restantes (sin numerar para mayor claridad) pueden estar compuestas cada una por un material que tenga una conductividad térmica de más de 1 W/(mK), la realización de lasfiguras 10-12es especialmente ventajoso cuando solo las porciones58están compuestas por tal material y las porciones restantes están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica inferior a 1 W/(mK). Esta es una ventaja especial de un conducto cerámico (en comparación con un conducto metálico) porque el material de conductividad relativamente más baja de gran parte del conducto cerámico51se podría esperar que exhibiera una mayor capacidad, en contraste con el material de las porciones58, para resistir el contacto prolongado con los gases de combustión relativamente calientes que fluyen por el interior del conducto cerámico51sin volverse poroso y, por lo tanto, exhibiendo una mayor capacidad para evitar que un flujo de gases de combustión calientes, durante un período de tiempo prolongado, entre en el espacio de gas no reactivo entre la pared aislante53y el conducto cerámico51. Por otro lado, debido a que la selección disponible de materiales cerámicos que exhiben una conductividad térmica superior a 1 W/(m K) puede ser relativamente limitada, en el caso de que dichos materiales presenten una menor capacidad para resistir el contacto prolongado con gases de combustión calientes. (a diferencia de las porciones restantes del conducto cerámico51) sin volverse porosas, las porciones58pueden retirarse y reemplazarse a intervalos regulares para garantizar mejor que no se experimenten fugas de gases de combustión calientes en el espacio de gas no reactivo. Esto también puede ser ventajoso en el caso de que el material que presenta una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) sea relativamente más caro que el material que presenta una conductividad térmica inferior.
Cuando las porciones58del conducto51(que están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK)) llegan al final de su vida útil, las porciones58se pueden reemplazar fácilmente retirándolas con cuidado de la abertura asociada58'y reemplazándolas por una nueva porción58que no haya estado expuesta a los gases de combustión calientes. La facilidad de reemplazo se puede mejorar manteniendo un peso de cada porción58igual o inferior a 50 kg. Esto puede lograrse aún más fácilmente separando cada porción58en varias piezas que se apilan unas sobre otras en la abertura58'correspondiente. Finalmente, cada porción58(o pieza individual) puede estar provista de una o más orejetas de elevación que permitan que la porción58(o pieza individual) para ser levantada de manera más fácil y segura dentro o fuera de su lugar en la abertura58'asociada.
Tres realizaciones del recuperador inventivo se ilustran en lasfiguras 13A,13B, y13C, respectivamente. Ciertas características (algunas opcionales) comunes a cada una de estas tres realizaciones también se ilustran en lasfiguras 14A-14D. Cada una de las tres realizaciones incluye un conjunto de cuatro pilares estructurales 62. Entre cada par de pilares adyacentes se extiende una porción de conducto 61 hecha de un material que tiene la conductividad térmica requerida. Las superficies orientadas hacia el interior de los pilares 62 y las porciones de conducto 61 encierran un espacio FG a través del cual fluyen los gases de combustión.
Los pilares62proporcionan un soporte mecánico con el que asegurar las porciones del conducto61. Más particularmente, una superficie escalonada72en cada extremo de una porción de conducto61se apoya contra una superficie escalonada74correspondiente dispuesto en una esquina respectiva de un pilar adyacente62. Porque las superficies escalonadas72de las porciones del conducto61apoyarse en las superficies escalonadas de los pilares62, las porciones del conducto61se evita que caigan al espacioFGpor donde circulan los gases de combustión. Las porciones del conducto61También se evita que se muevan de lado a lado porque cada cara de extremo89de una porción de conducto dada61hace tope contra una cara lateral correspondiente88de un pilar adyacente62.
Cada una de las realizaciones del recuperador inventivo también incluye un conjunto de cuatro paredes aislantes63. Cada pared aislante63se extiende paralelo a una respectiva de las porciones de conducto61. Entre cada par de porciones de conducto que se extienden paralelas61y pared aislante63es un espacio de gas no reactivo65. Extendiéndose a través del espacio de gas no reactivo65es una pluralidad de tuberías metálicas67a través del cual fluye un reactivo de combustión (ya sea oxidante o combustible) y dentro del cual se precalienta. Los espacios de gas no reactivo65están llenos de un gas no reactivo (como aire, dióxido de carbono, vapor de agua y/o nitrógeno).
Cada pared aislante63tiene una longitud mayor que la del espacio de gas no reactivo adyacente65para encerrar el espacio de gas no reactivo65entre una superficie exterior de la porción de conducto adyacente61, una superficie interior de la pared aislante63y caras laterales88de los pilares adyacentes63. Cada pared aislante63incluye una porción extrema periférica76de una cara interior del mismo que hace tope contra una porción78de una cara exterior de un pilar adyacente62. Mientras que cada pared aislante63pueden fijarse en su lugar mediante cualquier técnica conocida en el campo de la combustión o la transferencia de calor, opcionalmente pueden fijarse a pilares adyacentes62con soportes68. Cada soporte68incluye una pata exterior80que linda con una porción82de una cara exterior de un pilar adyacente62y está asegurado a ese pilar62con un dispositivo de sujeción como un perno. Cada soporte68también incluye una pata interior84que linda con una porción86de una cara exterior de una pared aislante adyacente63y retiene por fricción la pared aislante63contra la porción78. De la manera anterior, se evita que cada pared aislante63caiga hacia o desde el espacio de gas no reactivo65.
Mientras que cada una de las porciones del conducto61podrá asegurarse para evitar que caiga hacia el espacio adyacente de gas no reactivo65de cualquier forma conocida en el campo de la combustión o transferencia de calor, opcionalmente, una cuña90puede insertarse parcialmente en una ranura formada en una cara lateral88de un pilar adyacente62. La porción de la cuña90que no está insertado en la ranura se extiende sobre una porción periférica de una cara exterior de la porción de conducto61en cuestión para evitar que la porción del conducto61de caer hacia el espacio adyacente de gas no reactivo65.
Las realizaciones recuperadoras de lasfiguras 13A-13Cno se limitan a un único conjunto de cuatro porciones de conducto61. Más bien y como mejor se ilustra en lafigura 14C, una pluralidad de porciones de conducto61pueden apilarse uno encima del otro para formar una porción de conducto combinado que se extiende entre un par de pilares adyacentes62. Mientras que las porciones del conducto61pueden apilarse de cualquier forma conocida en el campo de la combustión o la transferencia de calor, como se muestra mejor en lafigura 14D, una proyección94de una porción inferior de una primera porción de conducto61encaja dentro de una cavidad correspondiente96de una segunda porción de conducto61debajo de la primera porción del conducto. Este patrón se repite para las otras porciones del conducto.61de una porción de conducto combinado que se extiende entre el par de pilares adyacentes62.
Opcionalmente y como mejor se muestra en la realización de lafigura 13B, una pluralidad de tuberías de enfriamiento70Aextenderse a través del espacio de gas no reactivo65además de las tuberías metálicas67. Un fluido refrigerante, como agua, aire o nitrógeno, fluye a través de las tuberías de refrigeración70Apara ayudar a moderar el calentamiento del oxidante o combustible en las tuberías metálicas.67. Alternativamente, y como mejor se ilustra en la realización de lafigura 13C, en lugar de una pluralidad de tuberías de enfriamiento70A, un panel de refrigeración70Bse extiende a través del espacio del gas no reactivo65. El panel de enfriamiento70Bestá corrugado para aumentar la superficie de recepción del calor radiante. Similar a las tuberías de refrigeración.70Ade la realización de lafigura 13B, un fluido refrigerante, como agua o aire, fluye a través del panel de refrigeración70Bpara ayudar a moderar el calentamiento del oxidante o combustible en las tuberías metálicas67.
Con respecto a las realizaciones de lasfiguras 13A-13C, durante la operación, se inyectan combustible y oxidante desde uno o más quemadores montados en una pared de horno de un horno a un espacio de combustión dentro de una cámara de combustión encerrada por una pared de horno del horno. El combustible inyectado y el oxidante se queman en el espacio de combustión para producir energía térmica que se utiliza para calentar vidrio sólido y/o fundido o materiales de fabricación de vidrio o metal sólido y/o fundido y también producir gases de combustión. Al menos uno del combustible y el oxidante se precalienta.
Los gases de combustión se reciben desde la cámara de combustión en un primer extremo del recuperador y se descargan desde un segundo extremo opuesto del recuperador. Los gases de combustión fluyen a través del espacioFGdefinido por las superficies internas de los pilares62y porciones de conductos61. El calor se intercambia radiativamente entre los gases de combustión y las porciones del conducto61. El calor se intercambia entre las porciones del conducto61y las una o más tuberías metálicas67por intercambio de calor radiativo a través del espacio de gas no reactivo65. El calor se intercambia entre las una o más tuberías metálicas67y combustible u oxidante que fluye a través de las tuberías67mediante intercambio de calor convectivo para proporcionar combustible precalentado u oxidante precalentado, respectivamente. El combustible precalentado o el oxidante precalentado se alimenta a los uno o más quemadores para su inyección. Cabe señalar que todas las tuberías metálicas67no es necesario que contenga flujos únicamente de oxidante o únicamente de combustible. Más bien, un juego de tuberías metálicas67de un espacio de gas asociado no reactivo65puede contener un flujo de oxidante mientras otro conjunto de tuberías metálicas67de un espacio diferente de gas asociado no reactivo65puede contener un flujo de combustible. Además, dentro de un determinado conjunto de tuberías metálicas67en un espacio dado de gas no reactivo65, una o más de las tuberías67puede contener un flujo de oxidante mientras que las tuberías restantes67de ese conjunto pueden contener un flujo de combustible.
Si bien se ha descrito la invención junto con formas de realización específicas de la misma, es evidente que muchas alternativas, modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos en la técnica a la luz de la descripción anterior. Por consiguiente, se pretende abarcar todas dichas alternativas, modificaciones y variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. La presente invención puede comprender, consistir o constar, en esencia, adecuadamente de los elementos descritos y se puede poner en práctica en ausencia de un elemento no descrito. Además, si hay lenguaje que haga referencia al orden, tal como primero y segundo, se debe interpretar en un sentido de ejemplo y no en un sentido restrictivo. Por ejemplo, los expertos en la técnica pueden reconocer que determinados pasos se pueden combinar en un único paso.
Las formas singulares "uno", "una", "la" y "el" incluyen los referentes plurales, a menos que el contexto dicte claramente lo contrario.
"Comprende" en una reivindicación es un término transitorio abierto que significa que los elementos de la reivindicación identificados posteriormente son una enumeración no exclusiva, es decir, se puede incluir cualquier otra cosa de forma adicional y permanecer dentro del alcance de "comprende". "Comprende" se define en la presente memoria como algo que abarca necesariamente los términos transitorios más limitados "que consiste esencialmente en" y "que consta de"; por consiguiente, "que comprende" se puede sustituir por "que consiste esencialmente en" o "que consta de" y permanecer dentro del alcance expresamente definido de "que comprende".
"Proporcionar" en una reivindicación se define como el hecho de proporcionar, suministrar, poner a disposición o preparar algo. La etapa puede ser realizada por cualquier actor en ausencia de un lenguaje expreso en la reivindicación que indique lo contrario.
Opcional u optativo significa que el evento o las circunstancias descritas posteriormente pueden ocurrir o no. La descripción incluye casos donde el evento o circunstancia se produce y casos donde no se produce.
Los rangos se pueden expresar en la presente memoria como desde aproximadamente un valor particular y/o hasta aproximadamente otro valor particular. Cuando se expresa un rango de este tipo, se debe entender que otra realización es desde el valor particular y/o hasta el otro valor particular, junto con todas las combinaciones dentro de dicho rango.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Un horno (100) que utiliza intercambio de calor recuperativo para precalentar un reactivo de combustión (29) con energía térmica residual de los gases de combustión (FG), que comprende:
una cámara de combustión que incluye un espacio de combustión encerrado por una pared de horno en el que se queman un combustible y un oxidante (103, 105) para calentar vidrio sólido y/o fundido o materiales para fabricar vidrio o metal sólido y/o fundido y producir así gases de combustión (FG);
uno o más quemadores (101) montados en la pared del horno adaptados y configurados para inyectar combustible precalentado y/u oxidante precalentado (103) en el interior de la cámara de combustión para su combustión en la misma;
caracterizado por queel horno comprende además un conducto (1, 11,21,31,51, D) que se extiende a lo largo de un eje y que tiene un primer extremo que recibe al menos una porción de los gases de combustión (FG) producidos en la cámara de combustión y un segundo extremo opuesto que descarga los gases de combustión (FG) recibidos; una o más paredes aislantes (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW) que se extienden en paralelo al eje del conducto y de manera adyacente a una superficie exterior del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D), estando compuesta la pared aislante (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW) por un material aislante, estando definido un espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG) entre una superficie exterior del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) y una superficie interior de la pared aislante (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW); y
una o más tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) que se extienden a través del espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG), recibiendo las tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) el oxidante de combustión o el combustible de combustión (111) y descargando el oxidante de combustión o el combustible de combustión (103) después de ser precalentado, en donde una o más porciones (58, 61) del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK), preferiblemente superior a 3 W/(m-K).
2. El horno (100) de la reivindicación 1, en donde el espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG) se comunica libremente con el aire ambiente y no se utiliza ningún dispositivo mecánico para crear un flujo de aire a través del espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG).
3. El horno (100) de la reivindicación 1:
• que comprende además una fuente de combustible gaseoso en comunicación de flujo con dicha una o más tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) o
• que comprende además una fuente de oxidante en comunicación de flujo con dicha una o más tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP).
4. El horno (100) de la reivindicación 3 que comprende una fuente de oxidante en comunicación de flujo con dicha una o más tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) y en donde el oxidante es aire enriquecido con oxígeno, oxígeno industrialmente puro, una mezcla de oxígeno industrialmente puro y gases de combustión (FG) recirculados, o una mezcla de oxígeno industrialmente puro y dióxido de carbono, siendo la fuente de oxidante preferiblemente una unidad criogénica de separación de aire, una unidad de adsorción por oscilación de vapor o un vaporizador alimentado con oxígeno líquido desde un tanque de oxígeno líquido.
5. El horno (100) de la reivindicación 1, en donde cada una de dichas una o más porciones (58, 61) del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK) está compuesta por un material cerámico o metálico.
6. El horno (100) de la reivindicación 1, en donde cada una de dichas una o más porciones (58, 61) del conducto (1, 11,21,31,51, D) compuestas por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W /(mK) es un mortero refractario que tiene un contenido de SiC de al menos el 70 %.
7. El horno (100) de la reivindicación 1:
• en donde la totalidad del conducto (1, 11,21,31,51, D) está compuesta por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) o
• en donde algunas porciones (58, 61) del conducto (1, 11,21, 31,51, D) están compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) y las porciones restantes del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica menor o igual a 1 W/(mK).
8. El horno (100) de la reivindicación 1, en donde:
el conducto (1, 11,21,31,51, D) está compuesto por cuatro pilares (62) dispuestos en las cuatro esquinas respectivas del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) y cuatro porciones de conducto (61) cada una de las cuales se extiende entre un respectivo par de pilares (62) de modo que una primera de las cuatro porciones de conducto (61) es paralela a una tercera de las cuatro porciones de conducto (61) y una segunda de las cuatro porciones de conducto (61) es perpendicular a la primera de las cuatro porciones de conducto (61) y paralela a una cuarta de las cuatro porciones de conducto (61);
las una o más paredes aislantes (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW) comprenden correspondientes primera, segunda, tercera y cuarta paredes aislantes (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW) que se extienden en paralelo a las porciones de conducto primera, segunda, tercera y cuarta (61), respectivamente, para definir así el primer, segundo, tercer y cuarto espacios de gas no reactivo (65), respectivamente;
un primer conjunto de una o más de las tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) se extiende a través del primer espacio de gas no reactivo (65);
un segundo conjunto de una o más de las tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) se extiende a través del segundo espacio de gas no reactivo;
un tercer conjunto de una o más de las tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) se extiende a través del tercer espacio de gas no reactivo;
un tercer conjunto de una o más de las tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) se extiende a través del tercer espacio de gas no reactivo; y
cada una de las cuatro porciones de conducto (61) está compuesta por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK).
9. El horno (100) de la reivindicación 8, en donde:
cada una de las paredes aislantes (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW) está compuesta por un material cerámico que tiene una conductividad térmica igual o inferior a 1 W/(mK); y
cada uno de los pilares (62) está compuesto por un material cerámico que tiene una conductividad térmica igual o inferior a 1 W/(m-K).
10. Un método de intercambio de calor recuperativo para precalentar un reactivo de combustión (29) con energía térmica residual de los gases de combustión (FG) producidos por un horno (100), que comprende:
inyectar combustible y oxidante desde uno o más quemadores (101) montados en una pared de horno de un horno (100) en un espacio de combustión dentro de una cámara de combustión encerrada por la pared del horno y quemar el combustible y oxidante inyectados en el espacio de combustión calentando así vidrio sólido y/o fundido o materiales de fabricación de vidrio o metal sólido y/o fundido y produciendo gases de combustión (FG), estando al menos uno del combustible y el oxidante precalentado;
caracterizado por queel método comprende además recibir los gases de combustión (FG) en un primer extremo de un conducto (1, 11,21,31,51, D) que se extiende a lo largo de un eje, estando compuestas una o más porciones (58, 61) del conducto (1, 11,21,31,51, D) por un material que tiene una conductividad térmica superior a 1 W/(mK); descargar los gases de combustión (FG) recibidos desde un segundo extremo del conducto (1, 11,21,31,51, D); intercambiar calor entre los gases de combustión (FG) y el conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) mediante intercambio de calor radiativo;
intercambiar calor entre el conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) y una o más tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) mediante intercambio de calor radiativo a través de un espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG) lleno de gas no reactivo, extendiéndose las una o más tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) a través del espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG), estando definido el espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG) entre una superficie exterior del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) y una superficie interior de una pared aislante (3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, IW) que se extiende en paralelo al eje del conducto y adyacente a la superficie exterior del conducto (1, 11,21,31,51, D);
intercambiar calor entre una o más tuberías metálicas (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) y combustible u oxidante que fluye (111) a través de las tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) mediante intercambio de calor convectivo para proporcionar combustible precalentado u oxidante precalentado (103); y
alimentar el combustible precalentado o el oxidante precalentado (103) a uno o más quemadores (101).
11. El método de la reivindicación 10, en donde el gas no reactivo es aire, el espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG) se comunica libremente con el aire ambiente y no se utiliza ningún dispositivo mecánico para crear un flujo de aire a través del espacio de gas no reactivo (5, 15, 25, 35, 45, 65, NRG).
12. El método de la reivindicación 10, en donde el oxidante fluye a través de las una o más tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP) y el oxidante precalentado se alimenta al uno o más quemadores (101) y en donde el oxidante es aire enriquecido con oxígeno, oxígeno industrialmente puro, una mezcla de oxígeno industrialmente puro y gases de combustión (FG) recirculados, o una mezcla de oxígeno industrialmente puro y dióxido de carbono.
13. El método de la reivindicación 12, en donde el oxidante es oxígeno industrialmente puro producido por una unidad criogénica de separación de aire, una unidad de adsorción por oscilación de vapor o un vaporizador alimentado con oxígeno líquido desde un tanque de oxígeno líquido.
14. El método de la reivindicación 13, en donde la totalidad de todo el oxidante alimentado al uno o más quemadores (101) tiene un contenido de oxígeno de al menos un 24 % en volumen.
15. El método de la reivindicación 10, en donde el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) es una cerámica de material metálico.
16. El método de la reivindicación 10, en donde el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) es un mortero refractario que tiene un contenido de SiC de al menos el 30 %.
17. El método de la reivindicación 10:
• en donde la totalidad de un conducto (1, 11,21,31,51, D) está compuesta por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) o
• en donde algunas porciones (58, 61) del conducto (1, 11,21,31,51, D) están compuestas por el material que tiene una conductividad térmica de más de 1 W/(mK) y las porciones restantes del conducto (1, 11, 21, 31, 51, D) están compuestas por un material que tiene una conductividad térmica menor o igual a 1 W/(mK).
18. El método de la reivindicación 10, en donde el combustible fluye a través de algunas de las tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP), el oxidante fluye a través de otras de las tuberías (7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, MP), y se alimentan combustible precalentado y oxidante precalentado a los uno o más quemadores (101).
19. El método de la reivindicación 10, en donde la temperatura de los gases de combustión (FG) es de 1.100-1.550 °C.
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