ES2129996T5 - Metodo para recuperar energia en hornos de fusion de vidrio de combustion de oxigeno. - Google Patents
Metodo para recuperar energia en hornos de fusion de vidrio de combustion de oxigeno.Info
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Abstract
SE EMPLEA UN METODO PARA MEJORAR LA EFICIENCIA ENERGETICA DE LOS HORNOS DE FUNDICION DE VIDRIO, ENCENDIDOS POR OXIGENO, EN EL QUE EL CALOR DE LOS GASES DE ESCAPE CALIENTES, PROCEDENTES DEL HORNO DE FUNDICION, SE UTILIZA PARA CALENTAR TODO O PARTE DEL OXIDANTE DE COMBUSTION, QUE TIENE UNA CONCENTRACION DE OXIGENO, DE AL MENOS EL 50 % EN PESO Y, A CONTINUACION, PARA PRECALENTAR AL MENOS UNA PARTE DE LOS MATERIALES FORMADORES DEL VIDRIO, QUE SE VAN A FUNDIR.
Description
Método para recuperar energía en hornos de fusión
de vidrio de combustión de oxígeno.
Este invento se refiere en general a la mejora de
la eficiencia energética en hornos de fusión de vidrio de
combustión de oxígeno. Más particularmente, el invento está
dirigido a recuperar la energía procedente de productos de
combustión calientes y a utilizarla para precalentar tanto el
oxidante de combustión como los materiales formadores de vidrio que
han de ser fundidos en el horno.
Los hornos tradicionales de fusión de vidrio
utilizan quemadores de combustión de aire para fundir materiales
formadores de vidrio tales como arena, cenizas de sosa, piedra
caliza, dolomita, feldespato, óxido férrico y otros, colectivamente
denominados como una carga. Los materiales formadores de vidrio
pueden también comprender vidrio roto, tal como vidrio en fragmentos
que es reciclado, o desperdicios de vidrios rotos. Debido a las
altas temperaturas requeridas para fundir materiales formadores de
vidrio, los hornos de fusión de vidrio funcionan a temperaturas que
están entre las más altas de todos los hornos industriales. En
estos hornos, se generan productos de combustión calientes;
potencialmente, pueden perderse grandes cantidades de calor cuando
los productos de combustión ascienden en el canal o conducto de
humos del horno.
Es conocida la recuperación de energía procedente
de gases calientes del canal de humos en hornos de fusión de vidrio
tradicionales, a base de aire. Por ejemplo es conocido el uso de
energía para precalentar el aire de combustión. Es también conocido
el hecho de precalentar los materiales formadores de vidrio que son
alimentados al horno de fusión.
Recientes desarrollos en la tecnología de
quemadores, junto con normas cada vez más rigurosas en la emisión
de aire, han conducido a la adopción incrementada de sistemas de
combustión a base de oxígeno en los que el aire de combustión es
sustituido por oxígeno puro o por aire enriquecido en oxígeno. La
combustión a base de oxígeno presente muchas ventajas en la
industria del vidrio, por ejemplo, temperaturas de llama más
elevadas, volumen de gas en el canal de humos reducido y emisiones
reducidas de óxidos de nitrógeno o NO_{x}. La necesidad de
eficiencias de horno más elevadas, sin embargo, sigue siendo de
interés continuo.
Es conocido el uso de la entalpía procedente de
los gases del canal de humos para precalentar la carga y/o los
materiales formadores de vidrio. La fusión del vidrio a base de
oxígeno, sin embargo, genera productos de combustión que pueden
estar por encima de 1093ºC, típicamente entre 1316ºC y 1538ºC. La
realización del precalentamiento de la carga y/o desperdicios de
vidrio a temperaturas tan elevadas es poco práctica debido a que
los materiales formadores de vidrio se reblandecerían y se pegarían
a las superficies del precalentador.
Se han propuesto distintas técnicas para reducir
la temperatura de la corriente de gas del canal de humos antes de
la operación de precalentamiento de la carga y/o desperdicios de
vidrio: añadir aire a los gases del canal de humos del horno, hacer
recircular gases del canal de humos del horno enfriados que salen
del precalentador de carga y/o desperdicios de vidrio a la corriente
gaseosa del canal de humos del horno, o extraer calor exponiendo
los gases del canal de humos a superficies no aisladas. Estas
técnicas, sin embargo, van acompañadas por pérdidas de energía.
Generalmente no se han considerado ni seguras ni eficientes en
energía para precalentar oxidantes de combustión con alto contenido
en oxígeno, tal como por ejemplo oxígeno puro o casi puro.
Por el documento
US-A-5.057.133 se ha conocido un
método para mejorar la eficiencia de energía en hornos de fusión de
vidrio de combustión de oxígeno, que comprende:
- A)
- hacer pasar materiales formadores de vidrio calentados a un recipiente de fusión;
- B)
- quemar combustible y oxidante para producir productos de combustión calientes y para proporcionar calor para fundir dichos materiales formadores de vidrio calentados en el recipiente de fusión;
- C)
- extraer dichos productos calientes de combustión de dicho recipiente de fusión;
- D)
- transferir calor desde dichos productos de combustión calientes para producir productos de combustión parcialmente enfriados; y
- E)
- transferir calor desde dichos productos de combustión parcialmente enfriados para producir productos de combustión enfriados.
Los productos de combustión calientes son
utilizados para reformar el combustible de hidrocarburo en un gas de
síntesis. Esto requiere un enfriamiento anterior de los gases de
combustión calientes antes de reformar el combustible de
hidrocarburo. Este enfriamiento de la corriente ascendente disipa el
calor en el gas de combustión sin mejorar materialmente la
eficiencia del proceso.
El artículo "The LoNOx, an Alternative to
Oxy-Fuel or an Enhancement?" por Pieper et al,
55^{th} Conference on Glass Problems, Ohio State University,
Ohio, publicado por la American Ceramic Society, 8-9
Noviembre 1994, se refiere a un método de fabricación de vidrio en
el que un material de desecho de vidrio calentado se hace pasar a
un horno de fundición y se queman combustible y aire calentado para
producir productos de combustión calientes y para proporcionar
calor para fundir el material de desecho de vidrio calentado en el
horno de combustión, viajando los productos de la combustión
calientes que abandonan la zona de combustión a una temperatura de
1480ºC en contra-corriente al material de desecho
de vidrio en una zona de precalentamiento grande, precalentando por
tanto el material de desecho de vidrio hasta 1100ºC. Los productos
de combustión calientes son por ello enfriados y se hacen pasar a
recuperadores a una temperatura de 1050ºC, en donde el aire de
combustión es calentado hasta 650ºC. Tras salir de los
recuperadores, los productos de combustión adicionalmente enfriados
se hacen pasar a un sistema precalentador opcional de desechos de
vidrio. Se menciona además en el artículo que la conversión de un
LoNOx aire-combustible a un LoNOx
oxi-combustible puede hacerse sin cambiar la
geometría del horno.
Es un objeto del invento proporcionar un método
para mejorar la eficiencia energética de hornos de fusión de vidrio
de combustión de oxígeno.
Es otro objeto del invento proporcionar un método
para usar energía residual procedente de productos de combustión
calientes para la combustión pura para calentar de modo seguro
oxígeno o aire enriquecido en oxígeno de combustión y también para
precalentar los materiales formadores de vidrio alimentados al
horno.
Es aún otro objeto del invento proporcionar un
método para usar el oxidante calentado para quemar combustible sin
aumentar la temperatura del quemador y sin producir excesivas
cantidades de NO_{x}.
Es un objeto adicional del invento proporcionar
un método para utilizar energía residual procedente de los
productos de combustión calientes para calentar también el
combustible de combustión.
Los anteriores y otros objetos, que resultarán
evidentes para un experto en la técnica al leer esta descripción,
son conseguidos por el presente invento que es un método como se
define en la reivindicación 1.
Como se ha usado aquí el término "horno de
combustión directa" significa un horno que emplea uno o más
quemadores para quemar combustible y oxidante a fin de proporcionar
calor al horno o con el propósito de calentar la carga del
horno.
Como se ha usado aquí, el término "intercambio
de calor indirecto" significa que el intercambio de calor tiene
lugar entre dos fluidos que son llevados a relación de intercambio
de calor sin ningún contacto físico o entremezclado de los fluidos
entre sí.
Como se ha usado aquí, el término "intercambio
de calor directo" significa llevar dos fluidos o un fluido y un
sólido a relación de intercambio de calor con contacto físico entre
sí.
Como se han usado aquí, los términos
"recuperación de calor" y "recuperación de energía"
significan capturar energía o calor residual y tenerla disponible
para el proceso total.
Como se han usado aquí los términos "óxidos de
nitrógeno" o "NO_{x}" 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}).
La fig. 1 es una representación esquemática
simplificada de un recipiente de fusión de vidrio, recipiente de
precalentamiento e intercambiador de calor en el que el método de
este invento puede ser puesto en práctica.
La fig. 2 es una vista en sección transversal
vertical simplificada de una realización preferida de un
intercambiador de calor que puede ser usada en la práctica del
invento.
La fig. 3 es una representación similar a la de
la fig. 1 que muestra también un intercambiador de calor adicional
para calentar el combustible.
La fig. 4 es una vista simplificada en
sección transversal vertical del recipiente de fusión que muestra
una pared oscura o de sombra.
La fig. 5 es una representación gráfica que
ilustra los efectos mínimos de calentar el oxidante de combustión
sobre la producción de NO_{x}.
Los números de las figuras son los mismos para
los elementos comunes.
El invento se refiere a la mejora de la
eficiencia energética de procesos que tienen lugar en hornos de
vidrio de combustión directa calentados por la combustión del
combustible con oxidantes enriquecidos en oxígeno. La combustión a
base de oxígeno genera gases de hogar o productos de combustión muy
calientes; las temperaturas observadas son generalmente bastante
mayores que las vistas con la combustión tradicional a base de
aire. El invento se refiere a la utilización de calor procedente de
estos productos de combustión calientes para calentar al menos una
parte del oxidante de combustión y también para calentar algo o la
totalidad de los materiales formadores de vidrio alimentados al
horno. Oxidantes que pueden ser calentados poniendo en práctica el
invento incluyen aire enriquecido en oxígeno y oxígeno obtenido a
partir de procesos de separación de aire tanto no criogénicos como
criogénicos; la concentración en oxígeno del oxidante útil en la
práctica de este invento está dentro del margen de desde
aproximadamente 50 a aproximadamente 99,9 por ciento en peso; el
invento es particularmente útil para calentar oxidantes con un
contenido en oxígeno de al menos un 90 por ciento de peso.
Calentar al menos una parte del oxidante de
combustión es ventajoso en casos en los que la temperatura de los
productos de combustión caliente es demasiado elevada para
precalentar los materiales formadores de vidrio. Calentar oxígeno
de combustión no solamente enfría los productos de combustión
calientes y los deja preparados para precalentar materiales
formadores de vidrio, sino que también vuelve a dirigir el calor de
nuevo al proceso alimentando oxidante de combustión calentado al
horno, reduciendo con ello los requisitos de combustible y de
oxígeno y los costes de operación totales. Además, el enfriamiento
de los productos de combustión calientes por calentamiento del
oxidante de combustión puede reducir o eliminar la necesidad de
añadir aire de dilución y/o para reciclar gases de canal de humos
fríos de nuevo al precalentador.
Sin embargo, hay consideraciones técnicas que
deben ser accedidas cuando se desea quemar combustible con un
oxidante enriquecido en oxígeno, calentado. Es conocido que las
temperaturas de llama para los procesos de combustión a base de
oxígeno tienden a ser considerablemente mayores que las observadas
con combustión tradicional, a base de aire. Típicamente asociada
con estas altas temperaturas de llama está la posibilidad de daño
en el quemador inducido por el calor; quemadores enfriados sin agua
son particularmente susceptibles a esta clase de daño. Además, las
temperaturas de llama elevada tienden a favorecer la formación de
óxidos de nitrógeno. Tanto el daño del quemador inducido por el
calor como los niveles de NO_{x} incrementados pueden resultar más
pronunciados cuando el oxidante de combustión transporta calor
adicional.
Es una realización preferida del invento inyectar
oxidante calentado para su combustión en el recipiente de fusión de
vidrio por separado del combustible. Consiguientemente el punto de
inyección para el combustible está espaciado del punto de inyección
del oxidante calentado. Un método para conseguir esto está descrito
y/o reivindicado en la patente norteamericana nº 5.076.779. Varias
lanzas comercialmente disponibles o conocidas en la técnica pueden
ser usadas para inyectar separadamente el combustible y el
oxidante. Un ejemplo de un sistema de lanza y de inyección de gas
que puede ser usado para inyectar oxidante calentado, y
opcionalmente combustible, en el recipiente de fusión para su
combustión en él está descrito y/o reivindicado en la patente
norteamericana nº 5.266.025.
Las patentes norteamericanas nº 5.267.850 y nº
5.411.395 describen y/o reivindican un sistema y método de
combustión de quemador de chorro de combustible que emplea una
corriente de combustible central de alta velocidad rodeada por una
corriente de oxidante coaxial anular de baja velocidad que puede
ser empleado en la práctica de este invento. Cuando se utiliza este
sistema se prefiere utilizar hasta el 30% del oxidante calentado
como la antes mencionada corriente coaxial anular de baja
velocidad. El oxidante calentado restante puede ser entregado en un
punto espaciado del quemador de chorro de combustible utilizando un
sistema de lanza o inyección como se ha descrito anteriormente. El
contenido de oxígeno del oxidante suministrado como la corriente de
oxidante coaxial anular de baja velocidad puede ser el mismo o
diferente del contenido de oxígeno del oxidante calentado.
El invento puede también ser puesto en práctica
realizando la combustión en etapas. Por ejemplo, el combustible
puede ser inyectado en el recipiente de fusión junto con un
oxidante principal que proporciona hasta el 30% de oxígeno
estequiométrico requerido para completar la combustión. Un oxidante
secundario, que es alimentado en un punto espaciado de donde son
inyectados el combustible y el oxidante principal, es usado para
completar el proceso de combustión. A fin de minimizar el daño en
los quemadores y la formación de NO_{x}, se prefiere que desde
aproximadamente el 70% a aproximadamente el 100% del oxidante
calentado sea suministrado como el oxidante secundario en esta
práctica de combustión por etapas. Aunque el contenido de oxígeno de
los oxidantes principal y secundario puede ser el mismo, esto no es
necesario. Es así posible utilizar aire, aire enriquecido, oxígeno
puro o casi puro como oxidante principal.
El invento puede ser puesto en práctica tanto en
pequeños como en grandes sistemas de fusión de vidrio, con
capacidades generalmente del orden de desde 4,5 t a 54,4 t por día.
El invento se describirá en mayor detalle con referencia a las
figuras.
La fig. 1, no dibujada a escala, muestra el
recipiente de precalentamiento 11 que recibe materiales 21
formadores de vidrio necesarios en la fabricación del vidrio. Estos
materiales pueden incluir pero no estar limitados a, arena, piedra
caliza, dolomita, feldespato, ceniza de sosa, aditivos, colorantes,
agentes de acabado y desperdicios de vidrio. Es común en la
industria hacer referencia a los materiales formadores de vidrio
como carga/desperdicios de vidrio. Los materiales formadores de
vidrio pueden ser granulares o peletizados y pueden contener
desperdicios de vidrio en cualquier cantidad oscilando hasta el
100%.
Los materiales formadores de vidrio pueden tener
diferentes propiedades bajo precalentamiento y alguno puede
reblandecerse más fácilmente que otros. Puede desearse, por ello,
proporcionar recipientes de precalentamiento adicionales, similares
a 11, para permitir el control independiente de los parámetros de
precalentamiento (temperatura objetivo, velocidad de calentamiento,
etc) para algunos de los materiales formadores de vidrio. Por
ejemplo, puede desearse precalentar desperdicios de vidrio
separadamente de otros materiales formadores de vidrio. Puede
también desearse precalentar solo alguno de los materiales
formadores de vidrio; otros materiales formadores de vidrio, tales
como los mostrados en 29, puede ser hechos pasar al recipiente de
fusión de vidrio y fundidos sin ser hechos pasar a través del
recipiente de precalentamiento 11.
Los materiales formadores de vidrio emergen del
recipiente de precalentamiento 11 como materiales 23 formadores de
vidrio calentados que tienen una temperatura generalmente dentro
del orden de desde 204ºC a 482ºC. Son introducidos, junto con otros
materiales 29 formadores de vidrio que pueden no haber sido
precalentados, en el recipiente 17 de fusión de vidrio.
El recipiente de fusión 17 es, por ejemplo, un
horno de fusión de vidrio de combustión directa y esta equipado con
uno o más quemadores 19. Preferiblemente, los quemadores 19 pueden
ser del tipo descrito y/o reivindicado en la patente norteamericana
nº 5.266.025 y/o en las patentes norteamericanas nº 5.267.850 y nº
5.411.395. Los quemadores 19 son usados para quemar combustible 31
con oxidante calentado que tiene una concentración en oxígeno de al
menos 50% en peso. Los quemadores 19 pueden usar cualesquiera
combustibles adecuados 31 entre los que pueden nombrarse gas
natural, propano, petróleos ligeros o pesados.
La combustión de combustible y oxidante genera
bastante calor para fundir los materiales formadores de vidrio que
a continuación salen del horno de fusión 17 como vidrio fundido 25.
La combustión de combustible y oxidante también genera gases de
canal de humos calientes o productos de combustión calientes que
tienen una temperatura generalmente dentro del orden de desde 1316ºC
a 1538ºC. Típicamente los productos de combustión calientes pueden
incluir dióxido de carbono, vapor de agua, nitrógeno, oxígeno y/u
otros componentes.
Los productos de combustión calientes son
extraídos del recipiente de fusión 17 en la corriente 41 y son
hechos pasar al intercambiador de calor 15. preferiblemente no hay
sustancialmente reducción de temperatura de los productos de
combustión caliente cuando pasan desde el recipiente al
intercambiador de calor 15 de modo distinto al causado por las
pérdidas de calor a través de las paredes del conducto que va del
horno de fusión 17 al intercambiador 15. Los intercambiadores de
calor 15 también reciben un oxidante que tiene un contenido en
oxígeno de al menos 50 por ciento en peso, mostrado como corriente
de oxidante 33. La corriente de oxidante está a una temperatura
menor que la temperatura de los productos de combustión calientes.
Usualmente la corriente 33 de oxidante es alimentada al
intercambiador de calor 15 a temperatura ambiente.
Preferiblemente, el intercambiador de calor 15
proporciona intercambio de calor indirecto. Pueden usarse para poner
en práctica el invento varios diseños de intercambiadores de calor.
Una realización de intercambiador de calor 15 está ilustrada en la
fig. 2, no dibujada a escala. El intercambiador de calor 15 tiene
al menos una cámara interior 62 encerrada dentro de la cámara
exterior 64. La pared 66 separa la cámara interior 62 de la cámara
exterior 64. Un trayecto de circulación interior es creado a través
de la cámara interior 62 y un trayecto de circulación exterior es
creado a través de la cámara exterior 64. Preferiblemente, se
introducen productos de combustión calientes 41 en la cámara
interior 62 como el trayecto de circulación interior y la corriente
de oxidante 33 es introducida a la cámara exterior 64 como trayecto
de circulación exterior.
Pueden usarse para poner en práctica el invento
tanto intercambiadores de calor de flujo a favor de corriente como
a contracorriente. En una realización preferida, el proceso de
intercambio de calor indirecto en el intercambiador de calor 15 es
realizado en condiciones de flujo a favor de corriente;
consiguientemente tanto los productos 41 de combustión calientes
como la corriente de oxidante 33 pasan a través del intercambiador
de calor 15 en la misma dirección. Esto es ventajoso debido a que
productos de combustión caliente, en su mayor temperatura al entrar
en el intercambiador de calor 15 en primer lugar establecen
contacto directo, a través de la pared 66, con la corriente de
oxidante 33, que está a su temperatura más baja cuando entran en el
intercambiador de calor 15. Así los productos de combustión
calientes 41 son inmediatamente enfriados y pueden avanzar a través
de la cámara interior 62 sin calentar el intercambiador de calor
más allá de los límites prácticos.
El intercambiador de calor 15 está construido
utilizando tales materiales y en un modo que lo hace incompatible y
seguro para la manipulación de oxidantes ricos en oxígeno y altas
temperaturas. Una ventaja del intercambiador de calor 15 es su
diseño compacto. Esto es hecho posible empleando el oxidante útil
con este invento que contiene cantidades relativamente bajas de
nitrógeno y así requiere menos volumen de lo que sería un sistema
que empleara aire como oxidante.
Mientras avanzan a través del intercambiador de
calor 15, los productos de combustión calientes son parcialmente
enfriados y emergen como productos 43 de combustión parcialmente
enfriados, con una temperatura generalmente dentro del orden de
1033ºC a 1316ºC, mientras que el oxidante es calentado y sale del
intercambiador de calor 15 como oxidante de calentado 35, con una
temperatura generalmente dentro del orden de desde 427ºC a 816ºC.
Un calentamiento más modesto de la corriente oxidante 33 puede
también ser obtenido poniendo en práctica el invento, y si es
necesario el oxidante 35 calentado a temperaturas tan bajas, como
por ejemplo, 93ºC, puede ser suministrado para el proceso de
combustión.
El oxidante 35 calentado es hecho pasar al
recipiente de fusión 17 en el que es quemado con combustible como
se ha descrito antes. A fin de mantener la producción de NO_{x} y
la temperatura del quemador dentro de niveles aceptables, se
prefiere que el oxidante calentado sea quemado utilizando los
quemadores y/o los métodos de combustión descritos anteriormente. En
algunos casos el oxidante calentado puede ser todo el oxidante
necesario para quemar completamente el combustible. Como se ha
descrito antes, sin embargo, la combustión puede requerir oxidante
adicional, usualmente a una menor temperatura que la del oxidante
calentado 35. En la fig. 1 el oxidante de combustión adicional es
mostrado como una parte 90 de la corriente 33 de oxidante. Es
también posible añadir oxidante que tiene un contenido en oxígeno
que es diferente del oxidante calentado 35. Si se desea, el
oxidante adicional puede ser aire.
A partir del intercambiador de calor 15,
productos de combustión 43 parcialmente enfriados son hechos pasar
al recipiente de precalentamiento 11, en el que son enfriados
adicionalmente por el intercambio de calor con materiales 21
formadores de vidrio, y salen del recipiente de precalentamiento
como productos de combustión enfriados 45.
Si se ha empleado más de un recipiente de
precalentamiento 11, los productos de combustión 43 parcialmente
enfriados pueden ser separados en dos o más corrientes y
alimentados independientemente a tales recipiente de
recalentamiento en paralelo con el recipiente 11. En algunos casos,
los productos de combustión no enfriados que salen de un primer
recipiente de precalentamiento 11 pueden aun poseer bastante
energía para precalentar materiales formadores de vidrio en uno o
más recipientes de precalentamiento adicionales en serie con el
recipiente 11 antes de salir del sistema como productos de
combustión enfriados.
Es posible recuperar dióxido de carbono
procedente de los productos de combustión enfriados 45 en el sistema
de recuperación opcional 55, que utiliza cualesquiera técnicas
conocidas para la separación de CO_{2} a partir de gases de hogar
interior generados durante la combustión. La recuperación de
CO_{2} es particularmente atractiva con la combustión a base de
oxígeno ya que la cantidad de nitrógeno que ha de ser manipulada es
relativamente pequeña.
Otros beneficios se derivan del hecho de que es
posible utilizar los materiales formadores de vidrio en el
recipiente de precalentamiento 11 como un medio de filtrado. Así
los productos de combustión enfriados 45 que emergen del recipiente
de precalentamiento 11 y son introducidos en el sistema de
recuperación opcional 55 están relativamente libres de impurezas de
partículas.
Como el calor específico del oxidante es menor
que el de los productos de combustión y como el volumen total del
oxidante es también relativamente bajo, puede encontrarse en
algunos casos que los productos de combustión parcialmente
enfriados 43 están aun demasiado calientes (generalmente dentro del
orden de desde 1053ºC a 1316ºC) que han de ser hechos pasar
directamente al recipiente de precalentamiento 11. Muchas unidades
de precalentamiento comerciales de carga/desperdicios de vidrio
funcionan a temperaturas generalmente del orden de desde
aproximadamente 204ºC a 482ºC. El límite de temperatura superior del
gas de canal de humos de entrada para precalentadores de carga,
desperdicios de vidrio o carga/desperdicios de vidrio es de
aproximadamente 760ºC.
Consiguientemente, el proceso de recuperación de
energía descrito aquí puede incorporar uno o más medios adicionales
para enfriar más los productos de combustión antes de introducirlos
en el recipiente de precalentamiento 11.
Es posible, por ejemplo, emplear una soplante de
aire 13 para añadir aire de dilución 51 para mezclar y enfriar más
los productos 43 de combustión parcialmente enfriados antes de
utilizarlos en el recipiente de precalentamiento 11. Similarmente,
los productos de combustión enfriados 45, o una parte de los
mismos, puede ser hecha recircular para mezclarlos con los productos
de combustión parcialmente enfriados 43 y reducir más su
temperatura.
Es una realización preferida del invento, sin
embargo, enfriar más los productos de combustión antes de su uso en
el recipiente de precalentamiento 11 de una manera eficiente
energéticamente, volviendo a dirigir tanto como sea posible su
calor de nuevo al proceso de fusión de vidrio. Para simplificar el
proceso y para aumentar su eficiencia energética, es deseable de
hecho evitar el uso de aire de dilución 51 y/o la recirculación de
productos de combustión enfriados 45. Si se ha recuperado CO_{2}
en el sistema de recuperación opcional 55, la elevada
concentración de CO_{2} en los productos de combustión enfriados
45 es mejor mantenida en ausencia de aire de dilución.
Consiguientemente, además de la corriente
oxidante de calentamiento 33, una parte de los productos de
combustión calientes 41, o algo o la totalidad de los productos de
combustión parcialmente enfriados 43, pueden también ser usados
para calentar combustible 31, dirigiendo de nuevo por ello el calor
adicional al recipiente de fusión 17 y proporcionando un
enfriamiento adicional a los productos de combustión que son hechos
pasar al recipiente de precalentamiento 11. El calentamiento del
combustible 31 puede ser conseguido, por ejemplo mediante
intercambio de calor indirecto.
Una de tales realizaciones preferidas está
mostrada en la fig. 3. Con referencia ahora a la fig. 3 los
productos de combustión parcialmente enfriados 43 son hechos pasar
desde el intercambiador de calor 15 al intercambiador de calor
adicional 57 en el que son enfriados adicionalmente a una
temperatura comprendida generalmente dentro del margen de desde
927ºC a 1204ºC por intercambio de calor indirecto con el
combustible 31. El combustible 31 es alimentado al intercambiador
de calor adicional 57 a una temperatura menor que la de los
productos de combustión parcialmente enfriados 43; el combustible
31 puede ser alimentado al intercambiador de calor adicional 57 a
temperatura ambiente y puede ser calentado a una temperatura
generalmente dentro del margen de desde 204ºC a 538ºC. Desde el
intercambiador de calor adicional 57, el combustible calentado 32
es hecho pasar a los quemadores 19, mientras que los productos de
combustión parcialmente enfriados 44 son hechos pasar al recipiente
de precalentamiento, desde el que emergen como productos de
combustión enfriados 45.
En otra realización preferida, no mostrada, puede
destinarse un intercambiador de calor a calentar separadamente
tanto la corriente de oxidante 33, el combustible 31 por contacto
indirecto con los productos de combustión 41. Esto puede
conseguirse, por ejemplo, previendo compartimientos separados para
las circulaciones de combustible y oxidante, impidiendo por ello
cualquier contacto directo entre ellos dentro del intercambiador de
calor.
El preenfriamiento dentro del horno de los
productos de combustión calientes, que no es un realización de la
invención, es particularmente útil para casos en los que solamente
algunos materiales formadores de vidrio, por ejemplo desperdicios
de vidrio, son precalentados en el recipiente de precalentamiento
11, mientras que otros materiales formadores de vidrio, por
ejemplo, carga, son alimentados directamente al recipiente de fusión
17, sin ser precalentados en el recipiente de precalentamiento
11.
La fig. 4, que no es una realización de la
invención, no dibujada a escala, muestra una realización preferida
para enfriar previamente los productos de combustión calientes
dentro del horno. La fig. 4 muestra el recipiente de fusión 17 en
el que los materiales formadores de vidrio son introducidos de modo
continuo en la pared de carga 89 y son mostrados como área rayada
84. El recipiente de fusión 17 está provisto de una barrera de
radiación o pared oscura 81 que se extiende desde la parte superior
del horno hacia la superficie de vidrio 83; se forma un espacio
entre la extremidad de la pared oscura 81 y la superficie de vidrio
83.
La pared oscura 81 sirve para dividir el
recipiente 17 en dos zonas por encima de la superficie del vidrio
83; una zona de recepción A, entre la pared de carga 89 y la pared
oscura 81, y una zona de combustión B, donde están situados los
quemadores 19 y en la que tiene lugar la combustión que genera
productos de combustión calientes y calienta los materiales de
formación de vidrio para fundirlos.
Una ventaja particular de la realización de la
combustión con oxígeno o con aire enriquecido en oxígeno es el
volumen relativamente pequeño de productos de combustión caliente
que se forma. Comparado con un horno a base de aire, se requiere un
área superficial de vidrio significativamente menor para
proporcionar el enfriamiento dentro del horno para este pequeño
volumen de productos de combustión calientes. Consiguientemente,
la pared oscura 81 puede estar situada relativamente junto a la
pared de carga 89. Es posible situar la pared oscura 81 a una
distancia de la pared de carga 89 que sea menor de una tercera
parte de la longitud del recipiente de fusión 17. En la práctica de
este invento, con o sin el uso del fundidor mostrado en la fig. 4,
no se requiere calentamiento adicional, tal como por electrodos
inferiores para llevar a cabo la fusión. Esta es una ventaja
importante de este invento. La pared oscura 81 actúa como una
barrera para reducir el intercambio de calor radiante entre la zona
A y la zona B; así la zona de recepción A funciona a una
temperatura menor que la que se ha encontrado en la zona de
combustión B. Los productos de combustión calientes formados por
combustión en la zona B, pasan a través del espacio situado debajo
de la pared oscura 81, a la zona A, en donde encuentran menores
temperaturas de funcionamiento y transfieren energía a los
materiales formadores de vidrio que son cargados en el recipiente
de fusión 17. Los materiales formadores de vidrio son por ello
precalentados dentro de la zona de recepción A, antes de ser
fundidos en la zona de combustión B, mientras que los productos de
combustión calientes sufren un grado de preenfriamiento antes de
ser extraídos del recipiente de fusión 17 a través de la abertura
de escape 87; desde allí, los productos de combustión preenfriados
son hechos pasar al intercambiador de calor 15, y a continuación al
recipiente de precalentamiento 11, sustancialmente como se ha
descrito en relación con la fig. 1.
Enfriando previamente los productos de combustión
calientes dentro del recipiente de fusión 17, lo cual no es una
realización de la invención, se espera que la temperatura de los
productos de combustión que entran en el intercambiador de calor 15
será menor de 1316ºC y estará generalmente comprendida dentro del
margen de desde aproximadamente 871ºC a aproximadamente 1149ºC. El
enfriamiento subsiguiente en el intercambiador de calor 15 generará
productos de combustión parcialmente enfriados a temperaturas más
cercanas a las requeridas por el recipiente de precalentamiento
11.
Los distintos medios para proporcionar un
enfriamiento adicional a los productos de combustión antes de su
paso al recipiente de precalentamiento 11 pueden ser usados solos o
en cualquier combinación que satisfaga los requisitos de energía y
equipamiento del proceso de fusión de vidrio.
Se han proporcionado los siguientes ejemplos con
propósitos ilustrativos y no se pretende que sean limitativos.
Los resultados del ejemplo 1 están ilustrados en
la fig. 5 y demuestran que utilizando oxígeno calentado no se
aumenta significativamente la producción de NO_{x}. En este
ejemplo, un horno de ensayo de 0,91 metros de diámetro por 3,27
metros de altura se mantuvo a una temperatura de aproximadamente
1538ºC. Se uso el horno para quemar gas natural con oxidante; la
concentración de oxígeno media del oxidante fue de aproximadamente
95,3 por ciento en peso. El oxígeno fue alimentado a una velocidad
de 2 por ciento en exceso del estequiométrico y algo de oxígeno
estuvo por ello presente en los gases de canal de humos. A fin de
simular las condiciones de horno industriales reales, se mantuvo un
nivel de 5 ó 10 por ciento (en base volumétrica húmeda) de
nitrógeno en el horno. Para un nivel de nitrógeno en el horno del 5
por ciento, por ejemplo, se suministró nitrógeno al horno a un
caudal de 4,64 m^{3}/h; se inyectaron gas natural y oxidante en
el horno a 28,3 m^{3}/h y 61,4 m^{3}/h, respectivamente. Los
productos de combustión correspondientes a estas velocidades fueron
calculados como aproximadamente 29,28 m^{3}/h de dióxido de
carbono, 58,56 m^{3}/h de agua, 1,90 m^{3}/h de oxígeno y 4,64
m^{3}/h de nitrógeno.
La combustión se llevó a cabo en etapas: 20%
(puntos representados por rombos o triángulos en la fig. 5) o 30%
(puntos representados por cuadrados o círculos) de la cantidad
estequiométrica del oxígeno necesario para completar la combustión
fue alimentado como oxidante principal a temperatura ambiente a
través de un quemador tal como el descrito y/o reivindicado en las
patentes norteamericanas nº 5.267.850 y nº 5.411.395. El oxígeno
restante necesario para completar la combustión fue alimentado como
oxígeno secundario a través de un sistema de inyección tal como el
descrito y/o reivindicado en la patente norteamericana nº
5.266.025. La velocidad del oxidante secundario a través de la
lanza fue de 59,4 a 73,2 m^{3}/s y dependiendo del volumen real
del oxidante precalentado; la velocidad del gas natural fue de 97,2
m_{3}/s. El oxidante secundario fue calentado por combustión de
una pequeña cantidad de combustible con oxígeno.
La fig. 5 muestra el efecto de la producción de
NO_{x} (mostrado en el eje vertical en el resultado de dividir
las cantidades por 0,453, expresadas en kilogramos de NO_{x} por
cantidades divididas por 1054,35 y expresadas en Julios) en función
del calentamiento del oxidante secundario a partir de una
temperatura ambiente a aproximadamente 704ºC. Puede verse que
elevando generalmente la temperatura del oxidante secundario hasta
649ºC se tiene solamente un efecto muy pequeño sobre la generación
de NO_{x}. Mirando, por ejemplo, en los datos representados por
los puntos con triángulos, solamente se observó un 5,5% de
incremento en la producción de NO_{x} al calentar el oxidante
desde temperatura ambiente a 649ºC.
Este ejemplo, que no es una realización de la
invención, demuestra una disposición de recuperación de energía en
la que, con la excepción de las pérdidas de calor en las
superficies, la energía residual de los gases del canal de humos
calientes generados en la combustión es dirigida de nuevo al proceso
de fusión de vidrio. No existe necesidad de dilución de aire y/o de
recirculación de los gases de canal de humos enfriados.
El caso ilustrado es modelado para un horno de
fusión de vidrio de recipiente de 272 t de combustión directa
utilizando oxidante precalentado, combustible precalentado,
desperdicios de vidrio precalentados y precalentamiento de carga en
el horno. El horno de fusión de vidrio está provisto de una pared
oscura como se ha descrito anteriormente; tanto el oxidante como el
combustible son calentados en compartimientos separados del mismo
intercambiador o recuperador de calor, de acuerdo con una
realización preferida del invento. Los desperdicios de vidrio son
precalentados en un precalentador de intercambio de calor de
contacto directo, de flujo a contracorriente de 1718,9 m^{3}/h de
oxígeno de alta pureza (99,9 por ciento en peso) a aproximadamente
649ºC y 855,2 m^{3}/h de gas natural a aproximadamente 538ºC son
alimentados a la zona de combustión del horno. La zona de recepción
del horno es cargada con 6215 kg/h de material húmedo (3% de
contenido de humedad) a 25ºC y 6122 kg/h de desperdicios de vidrios
virtualmente secos a aproximadamente 427ºC.
Teniendo en cuenta las pérdidas de ignición, la
infiltración de aire al horno y la humedad generada a partir de los
materiales formadores de vidrio, aproximadamente 3589,8
m^{3}/h de gases de canal de humos calientes con una composición
de 37,4% de CO_{2}, 54,5% de H_{2}O, 6,2% de N_{2}, 1,8% de
O_{2} y 0,1% de Ar son producidos en la zona de combustión del
horno. Desde la zona de combustión, los gases de canal de humos
calientes pasan a través del espacio situado debajo de la pared
oscura a la zona de recepción, donde transfieren algo de energía a
los materiales formadores de vidrio, y salen del horno a
aproximadamente 1149ºC. Los gases del canal de humos son hechos
pasar desde el horno de fusión de vidrio al recuperador a través de
una cuba revestida con refractario. Las pérdidas de calor en las
paredes de la cuba reducen aun más la temperatura de los gases del
canal de humos calientes que entra en el recuperador a 1099ºC.
El recuperador también recibe, en compartimientos
separados, oxígeno de alta pureza y gas natural, ambos a 25ºC.
Mediante el intercambio de calor indirecto con los gases de canal
de humos calientes, el oxígeno sale del recuperador a
aproximadamente 649ºC y el gas natural a aproximadamente 538ºC. El
oxígeno calentado y el gas natural calentado son hechos pasar
separadamente a la zona de combustión del horno de fusión de vidrio
utilizando tuberías bien aisladas que aseguran mínimas pérdidas de
calor. Los gases del canal de humos que salen del recuperador están
aproximadamente a 747ºC.
Una cuba revestida con refractario conduce los
gases del canal de humos interior desde el recuperador al
precalentador de desperdicios de vidrio de contacto directo. Las
pérdidas de calor adicionales dentro de la cuba reducen la
temperatura de los gases de combustible a aproximadamente 739ºC que
es menor que el límite superior típico de aproximadamente 760ºC
para el precalentador de desperdicios de vidrio.
El precalentador de desperdicios de vidrio es
cargado con 6215 kg/h de desperdicios de vidrio (contenido en
humedad de 1,5% en peso) a 25ºC. Los desperdicios de vidrio son
precalentados por contacto directo con los gases de canal de humos;
6122 kg/h de desperdicios de vidrio precalentados y virtualmente
secos a 427ºC salen del precalentador y son cargados al horno de
fusión de vidrio. Aproximadamente 3712,5 m^{3}/h de gases del
canal de humos también salen del precalentador de desperdicios de
vidrio a aproximadamente 304ºC (una temperatura lo bastante elevada
para impedir la condensación de agua dentro del conducto de gases
del canal de humos de salida) con una composición de 36,2% de
CO_{2}, 56% de H_{2}O, 6% de N_{2}, 1,8 de O_{2} y 0,1% de
Ar.
La entrada de energía a este horno de fabricación
de vidrio con gas natural precalentado, oxígeno precalentado,
precalentamiento en el horno y precalentamiento de los desperdicios
de vidrio es como sigue: combustible: 2,85 PJ/t de vidrio;
precalentamiento de oxidante 0,13 PJ/t de vidrio; precalentamiento
de gas natural 0,08 PJ/t de vidrio; y precalentamiento de
desperdicios de vidrio: 0,22 PJ/t de vidrio.
Este ejemplo es proporcionado para ilustrar las
ventajas económicas que pueden ser obtenidas poniendo en práctica el
invento. Mostrado en la tabla 1 está el resumen de un estudio de
modelado para un horno de vidrio de recipiente de 544 t por día con
combustión por oxígeno técnicamente puro (99,9 por ciento en peso).
Presenta una comparación de varios modos de recuperar calor. El caso
de línea de base para el horno de fusión de vidrio con combustión
de oxígeno sin recuperación de calor está mostrado en la columna A.
Las columnas B, B y D muestran los requisitos de energía y
servicios para los casos en los que se utiliza la energía residual
procedente de los gases del canal de humos, respectivamente en
precalentar el oxígeno de combustión, el precalentador de
carga/desperdicios de vidrio y tanto el oxígeno de combustión junto
con el precalentador de carga/desperdicios de vidrio.
La columna E ilustra las ventajas económicas de
una disposición de recuperación de energía tal como la descrita en
el Ejemplo 2.
Comparado con el precalentamiento de
carga/desperdicios de vidrio (columna C), el precalentamiento de
oxígeno/carga/desperdicios de vidrio (columna D) ofrece una
reducción de aproximadamente 5% de combustible y oxígeno, dando
como resultado unos costes de funcionamiento reducidos para el
productor de vidrio.
Utilizar el precalentamiento de carga dentro del
horno, que no es una realización de la invención, en combinación con
el precalentamiento de desperdicios de vidrio, oxígeno y gas
natural (columna E) reduce aun más los requisitos de combustible y
oxígeno y pude obtenerse un 13,5% de reducción en estos aspectos
con respecto al precalentamiento de carga/desperdicios de vidrio
(columna C).
(Tabla pasa a página
siguiente)
Utilizando ahora el método de este invento puede
realizarse la fusión del vidrio con una elevada eficiencia
energética y con una generación de NO_{x} reducida. Aunque el
invento ha sido descrito en detalle con referencia a ciertas
realizaciones, los expertos en la técnica apreciarán que hay otras
realizaciones del invento dentro del espíritu y el marco de la
reivindicaciones.
Claims (12)
1. Un método para mejorar la eficiencia
energética en hornos de fusión de vidrio de combustión de oxígeno,
que comprende:
- (A)
- hacer pasar materiales formadores de vidrio (23) calentados a un recipiente de fusión (17);
- (B)
- quemar combustible y oxidante calentado para producir productos de combustión calientes y para proporcionar calor para fundir dichos materiales formadores de vidrio calentados en el recipiente de fusión;
- (C)
- extraer dichos productos de combustión calientes de dicho recipiente de fusión a una temperatura entre 1.316ºC y 1.538ºC (2400ºF y 2800ºF);
- (D)
- transferir calor desde dichos productos de combustión calientes (41) a un oxidante (33), estando dicho oxidante a una temperatura inferior a la de dichos productos de combustión calientes y teniendo una concentración en oxígeno de al menos 50 por ciento en peso, para producir productos de combustión (43) parcialmente enfriados que tienen una temperatura entre 1.093ºC y 1.316ºC (2000ºF y 2400ºF) y dicho oxidante (35) calentado; y
- (E)
- transferir calor desde dichos productos de combustión (43) parcialmente enfriados a materiales (21) formadores de vidrio para producir dichos materiales (23) formadores de vidrio calentados y para producir productos de combustión (45) enfriados.
2. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho oxidante tiene una concentración en oxígeno de al menos 90 por
ciento en peso.
3. El método de la reivindicación 1, en el que el
combustible (31) y del 70 al 100 por ciento del oxidante calentado
(35) son inyectados en el recipiente de fusión (17) separadamente y
espaciados entre sí antes de su combustión.
4. El método de la reivindicación 1, en el que la
temperatura del oxidante calentado (35) está dentro del margen de
desde aproximadamente 93ºC a 816ºC (aproximadamente 200ºF a
1500ºF).
5. El método de la reivindicación 1, en el que la
transferencia de calor desde los productos de combustión (41)
calientes al oxidante (33) es por intercambio de calor
indirecto.
6. El método de la reivindicación 5, en el que el
intercambio de calor indirecto es realizado a favor de
corriente.
7. El método de la reivindicación 1, en el que el
recipiente de fusión (17) es dividido por una pared oscura (81) en
una primera zona (A) para recibir materiales (23, 29) formadores de
vidrio y una segunda zona (B) para fundir dichos materiales
formadores de vidrio y para producir dichos productos de combustión
calientes.
8. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho combustible (31) es calentado por intercambio de calor con un
parte de los productos de combustión calientes (41).
9. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho combustible es calentado por intercambio de calor con al
menos una parte de los productos de combustión parcialmente
enfriados (43).
10. El método de la reivindicación 1, en el que
el aire (51) es mezclado con dichos productos de combustión (43)
parcialmente enfriados, estando dicho aire a una temperatura menor
que la de dichos productos de combustión parcialmente
enfriados.
11. El método de la reivindicación 1, en el que
al menos una parte de dichos productos de combustión (45) enfriados
es reciclado y mezclado con dichos productos de combustión (43)
parcialmente enfriados antes de la transferencia a los materiales
formadores de vidrio.
12. El método de la reivindicación 1, en el que
los productos de combustión comprenden dióxido de carbono,
comprendiendo además la recuperación de dióxido de carbono
procedente de al menos una parte de los productos de combustión
enfriados (45).
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