ES2128492T5 - Metodo para combustion profundamente escalonada. - Google Patents
Metodo para combustion profundamente escalonada.Info
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Abstract
UN METODO DE COMBUSTION PARA LLEVAR A CABO UNA COMBUSTION CON UNA GENERACION REDUCIDA DE NOX SEGUN EL CUAL SE QUEMAN UN COMBUSTIBLE RAPIDO Y UN OXIDANTE SEGUN UNA RELACION SUBESTEQUIOMETRICA MUY BAJA Y DESPUES SE MEZCLA Y QUEMA UN OXIDANTE SECUNDARIO CON LOS PRODUCTOS DE REACCION RESULTANTES DE LA COMBUSTION.
Description
Método para combustión profundamente
escalonada.
Esta invención se refiere en general a la
combustión, y es particularmente útil para llevar a cabo la
combustión con generación reducida de óxidos de nitrógeno.
Los óxidos de nitrógeno (NOx) son un contaminante
significativo generado durante la combustión y es deseable reducir
su generación al llevar a cabo la combustión. Se sabe que la
combustión se puede llevar a cabo con generación reducida de NOx
usando oxígeno técnicamente puro o aire enriquecido con oxígeno como
oxidante, pues esto reduce la cantidad de nitrógeno proporcionado a
la reacción de combustión sobre una base de oxígeno equivalente. Sin
embargo, el uso de un oxidante que tiene una concentración más
alta de oxígeno hace que la reacción de combustión discurra a
una temperatura más alta y esta temperatura más alta favorece
cinéticamente la formación de NOx.
El documento
DE-A-41 42 401 describe un método
para llevar a cabo la combustión a la vez que consigue la generación
reducida de óxidos de nitrógeno, que comprende:
inyectar combustible primario y oxidante primario
en una zona de combustión en una relación dentro del intervalo de
10 a 70 por ciento de la estequiométrica, siendo dicho oxidante
primario un fluido que tiene una concentración de oxígeno de al
menos la del aire; inyectar oxidante secundario en la zona de
combustión en un punto separado de donde se inyectan dicho
combustible primario y oxidante primario en la zona de combustión;
realizar la combustión del combustible primario y el oxidante
primario dentro de la zona de combustión separada del oxidante
secundario para dar los productos de la reacción de combustión; y
mezclar el oxidante secundario con los productos de la reacción de
combustión dentro de la zona de combustión y realizar a continuación
la combustión del oxidante secundario con los productos de reacción
de combustión.
El documento
US-A-5 242 296 describe un método de
combustión con generación reducida de NOx que emplea dos oxidantes
diferentes, en donde el primer oxidante realiza una combustión
incompleta del combustible en una corriente de llama y un segundo
oxidante que tiene una concentración de oxígeno más alta que el
primer oxidante y que se inyecta separado de la corriente de
llama completa la combustión.
Es un objeto de esta invención proporcionar un
método para llevar a cabo la combustión, la cual se puede poner en
práctica usando un oxidante que tiene una concentración de oxígeno
más alta que la del aire, a la vez que se consigue la generación
reducida de óxidos de nitrógeno.
El anterior y otros objetos, que resultarán
evidentes a un experto en la técnica tras una lectura de esta
descripción, se alcanzan por la presente invención, que es:
Un método para llevar a cabo la combustión a la
vez que se consigue una generación reducida de óxidos de nitrógeno,
que comprende:
- (A)
- inyectar combustible primario y oxidante primario, juntos o por separado, en una zona de combustión en una relación dentro del intervalo de 5 a 50 por ciento de la estequiométrica, siendo dicho oxidante primario un fluido que tiene una concentración de oxígeno de al menos 90 por ciento en volumen, en donde, cuando se inyecta combustible primario y oxidante primario juntos en un estado premezclado, la mezcla se inyecta en la zona de combustión a una velocidad de al menos 15 m/s, y en donde, cuando se inyecta combustible primario y oxidante primario por separado, el combustible primario se inyecta en la zona de combustión a una velocidad de al menos 15 m/s, y el oxidante primario se inyecta en la zona de combustión a una velocidad menor que la del combustible primario;
- (B)
- inyectar oxidante secundario en la zona de combustión en un punto separado de donde se inyectan dicho combustible primario y oxidante primario en la zona de combustión;
- (C)
- realizar la combustión del combustible primario y el oxidante primario dentro de la zona de combustión separada del oxidante secundario para dar los productos de la reacción de combustión; y
- (D)
- mezclar el oxidante secundario con los productos de la reacción de combustión dentro de la zona de combustión y realizar a continuación la combustión del oxidante secundario con los productos de reacción de combustión.
Según se usan aquí, las expresiones "óxidos de
nitrógeno" y "NOx" significan uno o más de óxido nitroso
(N_{2}O), óxido nítrico (NO), trióxido de nitrógeno
(N_{2}O_{3}), tetróxido de dinitrógeno (N_{2}O_{4}), dióxido
de nitrógeno (NO_{2}), tetróxido de trinitrógeno (N_{3}O_{4})
y trióxido de nitrógeno (NO_{3}).
Según se usa aquí, la expresión "productos de
combustión completa" significa uno o más de dióxido de carbono y
vapor de agua.
Según se usa aquí, la expresión "productos de
combustión incompleta" significa uno o más de monóxido de
carbono, hidrógeno, carbono e hidrocarburos que han sufrido
parcialmente la combustión.
Según se usa aquí, la expresión "combustible
sin quemar" significa combustible que no ha experimentado
combustión y/o productos de combustión incompleta.
La Figura 1 es una vista simplificada en sección
transversal de una realización para llevar a cabo el método de esta
invención.
La Figura 2 es una vista simplificada en sección
transversal de otra realización para llevar a cabo el método de esta
invención.
La Figura 3 es una representación gráfica que
ilustra la importancia de la relación definida de oxígeno a
combustible del oxidante y el combustible primarios en la práctica
de esta invención.
La Figura 4 es una representación gráfica que
ilustra los resultados mejorados que se alcanzan con la velocidad de
combustible primario preferida en la práctica de esta
invención.
La Figura 5 es una representación gráfica que
ilustra los resultados mejorados que se alcanzan con la velocidad de
oxidante secundario preferida en la práctica de esta invención.
La invención se describirá en detalle con
relación a los Dibujos.
Haciendo referencia ahora a las Figuras 1 y 2, el
horno 1 define zona de horno o zona de combustión 2. El horno puede
ser cualquier horno industrial adecuado tal como, por ejemplo, un
horno de fabricación de vidrio, un horno de fabricación de
acero, un horno de fundición de aluminio, un horno de cuba de
cemento o un incinerador.
Se inyectan combustible primario y oxidante
primario 3 a la zona de combustión 2 a través de la lumbrera de
inyección 4 que, en este caso, también sirve de lumbrera de
evacuación. El combustible y el oxidante primarios se inyectan
usando quemadores o lanzas apropiados que no están ilustrados. Un
quemador es un dispositivo que proporciona tanto combustible como
oxidante en una zona de combustión, y una lanza es un dispositivo
que inyecta sólo uno de combustible u oxidante en una zona de
combustión. El combustible y el oxidante primarios se pueden
inyectar juntos en un estado premezclado en la zona de combustión
2, o se pueden inyectar por separado en la zona de combustión 2 y
mezclarse a continuación dentro de la zona de combustión 2 para
formar la mezcla 3 de combustible y oxidante primarios dentro de la
zona de combustión 2. El combustible y el oxidante primarios se
pueden inyectar en la zona de combustión 2 en una corriente o
chorro único o en una pluralidad de corrientes o chorros.
El combustible primario puede ser cualquier gas u
otro combustible que contenga combustibles que puedan realizar la
combustión en la zona de combustión. Entre tales combustibles
se pueden citar el gas natural, gas de horno de coque, propano,
metano, petróleo y carbón pulverizado.
El oxidante primario es un fluido que tiene una
concentración de oxígeno de al menos 90 por ciento en volumen de
oxígeno. El oxidante primario puede ser oxígeno técnicamente puro
que tenga una concentración de oxígeno de 99,5 por ciento o
más.
El combustible y el oxidante primarios se
proporcionan a la zona de combustión 2 con caudales tales que la
relación de oxígeno primario a combustible primario esté dentro del
intervalo de 5 a 50 por ciento, preferiblemente dentro del
intervalo de 10 a 30 por ciento de la estequiométrica. La cantidad
estequiométrica de oxígeno primario es la cantidad de oxígeno
primario requerida para realizar completamente la combustión del
combustible primario inyectado en la zona de combustión 2.
El combustible primario se inyecta en la zona de
combustión 2 a una velocidad alta de al menos 15 m/s,
preferiblemente que exceda de 30 m/s y lo más preferiblemente dentro
del intervalo de 91 a 305 m/s. Cuando el combustible y el oxidante
primarios se inyectan premezclados en la zona de combustión, la
mezcla se inyecta a la velocidad descrita anteriormente para el
combustible. Cuando el combustible y el oxidante primarios se
inyectan sin premezcladura en la zona de combustión, el oxidante
primario tendrá por lo general una velocidad menor que la del
combustible primario. Preferiblemente, en tal caso la velocidad de
este oxidante primario inyectado estará en el intervalo de 6 a 15
m/s.
El combustible y el oxidante primarios realizan
la combustión dentro de la zona de combustión 2 para dar los
productos de la reacción de combustión. Los productos de la
reacción de combustión pueden incluir productos de combustión
completa pero, debido a la relación subestequiométrica definida de
oxígeno a combustible, incluirá combustible sin quemar. La
combustión incompleta del combustible primario con el oxidante
primario, unida a la alta velocidad del combustible primario que
fomenta la mezcladura de los productos de combustión completa en la
zona 2 con el chorro o los chorros de combustible primario, permite
que la combustión del combustible y el oxidante primarios discurra
a una temperatura más baja de la que tendría de otra manera,
reduciendo así la tendencia a que se forme NOx.
También se inyectan en la zona de combustión, en
un punto separado de donde se inyectan el combustible y el oxidante
primarios en la zona de combustión, una o más corrientes de
oxidante secundario. El oxidante secundario puede ser cualquier
fluido que contenga oxígeno para la combustión con los productos de
la reacción de combustión. Preferiblemente, el oxidante secundario
es un fluido que tiene una concentración de oxígeno más baja que
la tiene el oxidante primario, pues éste trabaja hacia la
finalización de la combustión dentro de la zona de combustión sin
crear una alta temperatura de llama. Preferiblemente, el oxidante
secundario es aire o una mezcla de fluidos de oxígeno y de gas de
combustión recirculado.
Preferiblemente, el oxidante secundario se
inyecta a una velocidad mayor que 15 m/s, lo más preferiblemente a
una velocidad dentro del intervalo de 61 a 305 m/s, la cual fomenta
adicionalmente la mezcladura y la combustión con los productos de
la combustión completa dentro de la zona de combustión. A dichas
velocidades altas, los productos de la combustión completa se
introducen en la corriente de oxidante secundario, diluyendo de
este modo la corriente de oxidante secundario antes de la
combustión del oxidante secundario con el combustible sin quemar.
Esto reduce la temperatura de la reacción de combustión y
contribuye a la menor formación de NOx.
La Figura 1 ilustra la inyección de dos chorros 5
de oxidante secundario paralelos con el combustible y el oxidante
primarios, esto es desde la misma pared extrema del horno que el
combustible y el oxidante primarios, y la Figura 2 ilustra la
inyección de dos chorros 5 de oxidante secundario opuestos al
combustible y el oxidante primarios, esto es desde la pared extrema
del horno opuesto al combustible y el oxidante primarios. El
oxidante secundario se inyecta desde una o más lumbreras de
inyección usando una o más lanzas que no están ilustradas en los
Dibujos.
Dentro de la zona de combustión 2, el oxidante
secundario se mezcla con los productos de la reacción de combustión,
que resultaron de la combustión del combustible y el oxidante
primarios, y realiza la combustión con el combustible sin quemar de
los productos de la reacción de combustión. Preferiblemente, el
combustible sin quemar realiza la combustión completa con el
oxidante secundario dentro de la zona de combustión.
La combustión dentro de la zona de combustión
sirve para generar calor que se puede usar para calentar, fundir,
secar, u otros fines. Los gases resultantes se evacuan de la zona
de combustión después de la combustión.
Los resultados ventajosos del método de esta
invención se ilustran en las Figuras 3, 4 y 5. En las Figuras 3, 4 y
5 se muestra en el eje vertical el NOx generado en kg de NO_{2}
por kg así como en paréntesis en libras de NO_{2} por millón de
BTU, y en el eje horizontal se muestra la relación de oxidante
primario a combustible como porcentaje de la estequiométrica. En
los ejemplos que se presentan en las Figuras 3, 4 y 5 el
combustible primario era gas natural y los oxidantes primario y
secundario eran ambos oxígeno comercial que tenía una concentración
de oxígeno mayor que 99,5 por ciento. El combustible primario y el
oxidante primario se premezclaron antes de su inyección en la zona
de combustión. Las dimensiones internas de la zona de combustión
eran 0,9 m de diámetro y 2,4 m de longitud.
Haciendo referencia ahora a la Figura 3, los
puntos circulares de datos se refieren a la práctica de inyección
paralela similar a la ilustrada en la Figura 1, y los puntos
cuadrados de datos se refieren a la práctica de inyección opuesta
similar a la ilustrada en la figura 2. Como se puede observar en la
Figura 3, a medida que la relación de oxígeno primario a
combustible excede de aproximadamente el 50 por ciento de la
estequiométrica, se experimenta un aumento brusco en la generación
de NOx, demostrando de este modo lo crítico del límite
superior de esta relación definido en la práctica de esta
invención.
La Figura 4 muestra los resultados de la práctica
de inyección paralela similar a la ilustrada en la Figura 1 con
velocidad alta de combustible y velocidad baja de combustible. Los
puntos circulares de datos muestran los resultados obtenidos con
velocidad baja de la mezcla de combustible y oxidante primarios, que
se leen de izquierda a derecha 39, 44, 50 y 58 m/s,
respectivamente. Los puntos cuadrados de datos muestran los
resultados obtenidos con velocidad alta de la mezcla de combustible
y oxidante primarios, que se leen de izquierda a derecha 119, 175 y
199 m/s, respectivamente. Como se puede observar en la Figura 4, la
velocidad alta de la mezcla de combustible y oxidante primarios
empleada en la práctica preferida de esta invención permite el logro
de niveles más bajos de generación de NOx.
La Figura 5 muestra los resultados de la práctica
de inyección paralela similar a la ilustrada en la Figura 1 con
velocidad alta de oxidante secundario y con velocidad baja de
oxidante secundario. Para cada uno de los puntos circulares y
cuadrados de datos la velocidad de la mezcla de combustible y
oxidante primarios, que se leen de izquierda a derecha, era de 119,
175 y 199 m/s, respectivamente. Los puntos cuadrados de datos
muestran los resultados obtenidos con velocidades de oxidante
secundario, que se leen de izquierda a derecha de 306, 219 y 186
m/s, respectivamente. Los puntos circulares de datos muestran los
resultados obtenidos con velocidades de oxidante secundario, que se
leen de izquierda a derecha de 41, 30 y 24 m/s, respectivamente.
Como se puede observar en la Figura 5. La velocidad alta de
oxidante secundario empleada en la práctica preferida de esta
invención permite el logro de niveles más bajos de generación de
NOx.
Aun cuando no desea quedar comprometido con
ninguna teoría la solicitante cree que la razón de que la
sorprendentemente baja relación estequiométrica de oxidante
primario a combustible sea ventajosa se debe a los efectos
combinados de la temperatura de la llama y los compuestos de
nitrógeno formados en las condiciones ricas en combustible. En las
condiciones ricas en combustible HCN y NH_{3}, no NOx, se
convierten en las especies dominantes de nitrógeno generadas por la
combustión. Estos compuestos son oxidados más tarde para formar NOx
en la combustión subsiguiente. Así pues, es necesario minimizar la
concentración de estos compuestos en la llama primaria.
Especialmente, con un oxidante que tiene una concentración de
oxígeno que excede de la del aire, de modo que la temperatura de la
llama permanezca alta, con cinéticas más lentas características de
las condiciones ricas en combustible, se consigue la generación de
HCN y NH_{3} más baja en la llama primaria en condiciones
estequiométricas más bajas que en la práctica de combustión
convencional desarrollada con aire como oxidante.
Claims (7)
1. Un método para llevar a cabo la combustión a
la vez que se consigue la generación reducida de óxidos de
nitrógeno, que comprende:
- (A)
- inyectar combustible primario y oxidante primario, juntos o por separado, en una zona de combustión en una relación dentro del intervalo de 5 a 50 por ciento de la estequiométrica, siendo dicho oxidante primario un fluido que tiene una concentración de oxígeno de al menos 90 por ciento en volumen, en donde, cuando se inyecta combustible primario y oxidante primario juntos en un estado premezclado, la mezcla se inyecta en la zona de combustión a una velocidad de al menos 15 m/s, y en donde, cuando se inyecta combustible primario y oxidante primario por separado, el combustible primario se inyecta en la zona de combustión a una velocidad de al menos 15 m/s, y el oxidante primario se inyecta en la zona de combustión a una velocidad menor que la del combustible primario;
- (B)
- inyectar oxidante secundario en la zona de combustión en un punto separado de donde se inyectan dicho combustible primario y oxidante primario en la zona de combustión;
- (C)
- realizar la combustión del combustible primario y el oxidante primario dentro de la zona de combustión separada del oxidante secundario para dar los productos de la reacción de combustión; y
- (D)
- mezclar el oxidante secundario con los productos de la reacción de combustión dentro de la zona de combustión y realizar a continuación la combustión del oxidante secundario con los productos de reacción de combustión.
2. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxidante secundario se inyecta en la zona de combustión desde el
mismo lado de la zona de combustión que desde el que se inyectan el
combustible primario y el oxidante primario.
3. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxidante secundario se inyecta en la zona de combustión desde el
lado opuesto de la zona de combustión al que se inyectan el
combustible primario y el oxidante primario.
4. El método de la reivindicación 1, en el que,
cuando se inyectan el combustible primario y el oxidante primario
por separado en la zona de combustión, la velocidad del oxidante
primario inyectado está en el intervalo de 6 a 15 m/s.
5. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxidante secundario tiene una concentración de oxígeno que es menor
que la concentración de oxígeno del oxidante primario.
6. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxidante secundario se inyecta en la zona de combustión a una
velocidad mayor que 15 m/s.
7. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxidante secundario se inyecta en la zona de combustión a una
velocidad que excede de la velocidad a la que se inyecta el
combustible primario en la zona de combustión.
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