ES2207389A1 - Mejoras en el objeto de la patente principal n.200102624, por "procedimiento para la fusion de una carga de aluminio". - Google Patents

Mejoras en el objeto de la patente principal n.200102624, por "procedimiento para la fusion de una carga de aluminio".

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Mejoras en el objeto de la patente principal P 200102642 por procedimiento para la fusión de una carga de aluminio. Las mejoras se caracterizan por el hecho de que se dispone un sistema de control que comprende medios de inyección de oxígeno y medios de detección de la variación de la temperatura, en donde el procedimiento comprende: i) inyectar oxígeno a presión y caudal conocidos en un punto cualquiera de la salida de humos del horno de fusión; ii) detectar la variación de temperatura; ii-a) en el caso que dicha variación represente un incremento positivo de la temperatura, modificar la relación oxígeno/combustible en el quemador de manera que la concentración de oxígeno sea mayor a la concentración de oxígeno existente antes de realizar esta modificación; y ii-b) en el caso que dicha variación represente un incremento negativo de temperatura, modificar la relación oxígeno/combustible en el quemador de manera que la concentración de oxígeno sea menor a la concentración de oxígeno existente antes de realizar esta modificación.

Description

Mejoras en el objeto de la patente principal P 200102642 por "Procedimiento para la fusión de una carga de aluminio".
Campo de la invención
La presente invención se refiere a mejoras en el objeto de la patente principal P-200102642 por "Procedimiento para la fusión de una carga de aluminio" en un horno de fusión que comprende una carga orgánica inherente o no a la carga de aluminio donde se lleva a cabo la combustión de dicha carga orgánica utilizando una relación de oxígeno/combustible en el quemador que proporciona una atmósfera oxidante a la salida del mismo.
Antecedentes de la invención
Se conocen distintos tipos de hornos de fusión de aluminio, los cuales disponen de un medio de aporte de energía cualitativamente determinada en función del tipo de horno utilizado.
Así, por ejemplo, un horno eléctrico de inducción efectúa la fusión de la carga de aluminio gracias a las corrientes inducidas y gobernadas desde un sistema eléctrico. Dichas corrientes inducidas depositan energía sobre la carga de aluminio a fundir por lo que su "fuente característica" de energía es la energía eléctrica.
Por otro lado, existen hornos de fusión de aluminio que utilizan como "fuente característica" de energía la combustión, pudiendo ser ésta de muchos tipos cada uno de los cuales atiende a las necesidades productivas.
Entre los hornos de fusión más comunes pueden citarse los "hornos de reverbero", los "hornos de solera seca" y los "hornos rotativos".
En los "hornos de reverbero" uno o más quemadores "reverberan" su llama sobre la carga de aluminio a fundir produciendo el cambio de estado del aluminio así como su calentamiento a la temperatura de proceso para después desgasificarlo o alearlo, si procede. Dichos hornos pueden bascular a fin de extraer el aluminio.
Por otro lado, los hornos llamados de "solera seca" se caracterizan por disponer de uno o más quemadores cambiando el estado del aluminio de sólido a líquido sobre una solera a partir de la cual el aluminio fluye hasta una solera principal en la cual el aluminio líquido es calentado a su temperatura de proceso, aleado y desgasificado.
Y por último, los "hornos rotativos" se caracterizan por disponer de un quemador y un sistema de giro sobre el eje horizontal del horno. Normalmente son hornos de fusión que trasvasan el aluminio fundido a otro horno en el cual se aumenta su temperatura hasta la de proceso y se le desgasifica y/o alea.
En los hornos de combustión citados la "energía característica" es aportada mediante un mechero que quema un combustible fósil con aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno puro, por lo que es de origen químico.
Sin embargo, debe destacarse que en todos los casos citados se efectúa la fusión del aluminio con un defecto de oxígeno a fin de minimizar las pérdidas de aluminio por oxidación.
En los últimos años las fundiciones de aluminio han mejorado sus rendimientos productivos respetando el medio ambiente. La combustión con aire enriquecido con oxígeno y la combustión con oxígeno puro han reducido considerablemente las tasas de polución de los hornos, tanto a nivel de emisión de gases como en lo que a la calidad de los mismos se refiere. Las partículas sólidas han disminuido gracias a los sistemas de filtración de humos y también gracias a la utilización de la oxi-combustión.
Normalmente, la segunda fusión del aluminio se efectúa en hornos de combustión cuyos quemadores utilizan como "energía característica" algún hidrocarburo quemado con aire, aire enriquecido u oxígeno. Debe tenerse en cuenta que las cargas de aluminio suelen estar compuestas por chatarras de aluminio y escorias de aluminio las cuales pueden ser de distinta riqueza de metal libre.
Las llamadas "chatarras de aluminio" suelen provenir del sector "carpintería de aluminio" y normalmente llevan adheridas materia orgánica tal como lacas, barnices, pinturas, aceites, plásticos, taladrinas y otros compuestos de origen orgánico con un poder energético realmente importante y que puede oscilar, según el tipo, de 4.000 a 12.000 Kcal/Kg y que una vez cargadas en el horno de no disponer del medio de quemarlos totalmente dentro de él, producen una gran cantidad de inquemados tales como CO, H_{2} y C que al partir por la chimenea ponen a prueba las instalaciones de filtrado y depuración de los humos.
Básicamente, la oxidación del aluminio como la de todos los metales depende de los siguientes factores:
\bullet
Presión parcial de oxidantes en el "medio".
\bullet
Temperatura del aluminio.
\bullet
Tiempo de exposición del aluminio con el medio.
El óxido de aluminio no es reducible a aluminio metálico por procedimientos de pirólisis, por lo que parte con las escorias del horno con merma del rendimiento metálico en fusión.
Así, por ejemplo, los análisis de humos efectuados a la salida de un horno para una carga de horno compuesta por 100% de chatarra de aluminio han detectado contenidos de monóxido de carbono de hasta el 20% y de hidrógeno de hasta el 6% además de una cantidad de carbono en forma de hollín no cuantificada.
Sin embargo, los medios utilizados en el estado de la técnica con el fin de evitar la emanación de volátiles se basan en mejorar las instalaciones de filtrado y de depuración de los humos en la salida de la chimenea del horno de fusión.
Descripción de la invención
El problema a solucionar por la presente invención es proporcionar un sistema de control mejorado que permita la reducción de la concentración de inquemados en la salida de humos de la chimenea de un horno de fusión.
La solución se basa en el hecho de que los presentes inventores han encontrado que la presencia, en la salida de humos de un horno de fusión, de un sistema de control que comprende medios de inyección de oxígeno y medios de detección de la variación de la temperatura permite, en función de la concentración de inquemados detectada, actuar de una forma preestablecida sobre el caudal de oxígeno que se suministra a la entrada del horno de fusión con el fin de quemar los inquemados presentes y de esta forma disminuir su concentración.
En consecuencia, un primer aspecto de la presente invención se refiere a mejoras en el objeto de la patente principal P 200102624 por procedimiento para la fusión de una carga de aluminio que comprende una carga orgánica en un horno de fusión, en donde se lleva a cabo la combustión de dicha carga orgánica utilizando una relación de oxígeno/combustible en el quemador que proporciona una atmósfera oxidante, caracterizadas por el hecho de que se dispone un sistema de control que comprende medios de inyección de oxígeno y medios de detección de la variación de la temperatura, y se llevan a cabo las siguientes etapas:
i)
inyectar oxígeno a presión y caudal conocidos en un punto cualquiera de la salida de humos del horno de fusión;
ii)
detectar la variación de temperatura;
ii-a)
en el caso que dicha variación represente un incremento positivo de la temperatura, modificar la relación oxígeno/combustible en el quemador de manera que la concentración de oxígeno sea mayor a la concentración de oxígeno existente antes de realizar esta modificación; y
ii-b)
en el caso que dicha variación represente un incremento negativo de temperatura, modificar la relación oxígeno/combustible en el quemador de manera que la concentración de oxígeno sea menor a la concentración de oxígeno existente antes de realizar esta modificación;
La presente invención se refiere a un sistema de control de la concentración de inquemados que comprende medios de inyección de oxígeno y medios de detección de la variación de la temperatura, colocándose dicho sistema de control a la salida de humos de un horno de fusión, lo más cercano posible de la salida del horno.
Ventajosamente, la presencia de un sistema de control tal y como se ha definido anteriormente permite reducir la concentración de inquemados a la salida de un horno de fusión (en chimenea) a concentraciones más reducidas.
La presencia de dicho sistema de control amplia el rango de la señal del punto de consigna lo que permite reacciones más precisas del sistema de combustión modulante.
Por tanto, con las mejoras en el procedimiento de la patente principal P 200102624 se consigue reducir la emanación de volátiles en la salida de la chimenea y en consecuencia se trata de un procedimiento mucho más limpio desde un punto de vista medioambiental.
A continuación, se acompañan unas figuras en la que, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra de forma esquemática un sistema de control en un horno de fusión de acuerdo con el procedimiento mejorado de la invención.
La figura 2 muestra una realización de los medios de inyección de oxígeno y los medios de detección de la variación de temperatura.
La figura 3 muestra un perfil de la variación de la temperatura en chimenea según la posición B de un termopar que mide la temperatura en B respecto al tiempo.
La figura 4 muestra un perfil de la variación de la concentración de monóxido de carbono en un horno de fusión de aluminio en función de su concentración en tanto por ciento en humos secos respecto al tiempo en la posición B.
La figura 5 muestra un perfil de la variación de la temperatura a la salida de un horno de fusión según la posición C de un termopar que mide la temperatura en C respecto al tiempo.
La figura 6 muestra un perfil de la variación de la concentración de monóxido de carbono en un horno de fusión de aluminio en función de su concentración en tanto por ciento en humos secos respecto al tiempo en la posición C.
Descripción detallada de la figura 1
La figura 1 muestra un horno de fusión 1 al que se ha introducido una carga de aluminio que lleva inherente una carga orgánica. El quemador 9 es alimentado por combustible a través de una válvula 7 y por oxígeno como comburente a través de una válvula 8. Un sistema de control 4 que comprende una lanza de inyección de oxígeno 2 íntimamente o exteriormente conjuntamente con una sonda de temperatura 3 detecta la temperatura C de los gases justo a la salida del horno de fusión. El sistema de control 4 transmite una señal a un autómata PLC 6 que puede provocar el cierre progresivo de la válvula de globo proporcional de combustible 7 o la apertura progresiva de la válvula de globo proporcional de oxígeno 8. De esta forma aumenta la presión parcial de oxígeno en el horno lo que permite llevar a cabo toda la combustión de los inquemados dentro del mismo, disminuyendo considerablemente la concentración de inquemados en chimenea. Para comparar las ventajas del sistema de control de la presente invención (véanse realizaciones preferidas), la figura 1 comprende además una sonda de temperatura A que mide la temperatura en la caja de humos de la salida de un horno de fusión y una sonda de temperatura B que mide la temperatura en la chimenea de un horno de fusión.
Definiciones
En la presente invención por "carga de aluminio" se entiende el aluminio que se introduce en un horno de combustión con el fin de llevar a cabo su fusión. Generalmente, dicho aluminio procede de chatarras de aluminio que pueden estar contaminadas o no con productos orgánicos compuestos principalmente por lacas, barnices, pinturas, aceites y plásticos entre los más habituales.
Por "carga orgánica" se entiende cualquier producto orgánico que pueda utilizarse como combustible dado su elevado poder energético. Generalmente, la carga orgánica está compuesta por lacas, barnices, pinturas, aceites y plásticos y puede estar presente en la carga de aluminio o puede adicionarse de forma separada a dicha carga de aluminio.
Por "relación de oxígeno/combustible en el quemador que proporciona una atmósfera oxidante" se entiende la relación que existe entre el oxígeno y el combustible en el quemador, independientemente de si el oxígeno es suministrado conjuntamente con el combustible a la entrada del quemador o de si el oxígeno es suministrado por un circuito independiente del quemador de manera que la relación del combustible que sale por el quemador y el oxígeno suministrado en ese punto confiere, en su conjunto, una atmósfera oxidante de manera que el oxígeno en exceso reaccionará con la materia orgánica presente en el horno de fusión.
Por "inquemados" se entiende cualquier compuesto proveniente de la materia orgánica, especialmente CO, H_{2} y C en forma de hollín.
Descripción detallada de la presente invención
Para mayor compresión de las mejoras del objeto de la patente principal P 200102624, se incluye a continuación un breve resumen del objeto de la patente principal.
El procedimiento descrito en la patente principal tiene por objeto introducir un exceso de oxígeno en el horno de fusión de aluminio lo que permite aumentar el poder oxidante del medio, obteniéndose rendimientos de aluminio mejores que en un procedimiento clásico, gracias a que al aumentar la eficiencia energética del horno y por tanto la velocidad de fusión del aluminio, el tiempo de exposición de éste con el medio es inferior.
Como es sabido, la formación de óxido de aluminio depende de la temperatura del aluminio, de la presión parcial de agentes oxidantes en el medio y del tiempo de exposición del aluminio con el medio, siendo ésta última la variable que influye de forma más directa en la formación del óxido de aluminio.
Con el procedimiento descrito en la patente principal se potencia el rendimiento térmico y se reducen las pérdidas de aluminio por oxidación gracias a la reducción del tiempo de contacto del aluminio con el medio.
La reducción del tiempo de contacto del aluminio con el medio se consigue utilizando la carga orgánica inherente a la carga de aluminio o añadida a ésta como combustible que quemada adecuadamente con oxígeno aporta energía útil a la carga de aluminio.
En consecuencia, se consigue reducir considerablemente la emanación de volátiles en la salida de la chimenea y por tanto, se trata de un procedimiento mucho más limpio desde un punto de vista medioambiental.
Una vez cargado un horno de fusión, la materia orgánica inicia la emanación de volátiles combustibles que parten del horno por la chimenea hacia la depuración de humos junto con otros gases resultantes de la combustión del quemador. Los gases combustibles tales como el monóxido de carbono e hidrógeno y carbón en forma de hollín viajan junto la masa total de gases de combustión por la extracción de humos del horno, encontrando en su camino moléculas de oxígeno aún sin combinar con las que reaccionan generando temperatura en chimenea.
Según ensayos efectuados durante la investigación realizada existe una correlación proporcional entre la cantidad de reductores en un punto de chimenea y la temperatura en dicho punto de tal forma que cuanto mayor es la concentración de CO, H_{2} y C mayor es la temperatura y viceversa.
Con ello se consigue aumentar la presión parcial del oxígeno en el horno de manera que tiene lugar la combustión de la carga orgánica dentro del horno en lugar de en la chimenea de salida de humos. La combustión de la materia orgánica en el horno aporta energía útil a la carga de aluminio con lo que se consigue un incremento en la velocidad de fusión del aluminio al mismo tiempo que se reduce el tiempo de exposición del aluminio con el medio y por lo tanto las pérdidas de aluminio por oxidación disminuyen considerablemente.
Una vez se ha quemado la carga orgánica en el horno, el sistema de combustión se regula de forma que la relación oxígeno/combustible en el quemador proporciona una atmósfera reductora en el horno de fusión, es decir, se continua con el procedimiento clásico de fusión de aluminio.
Las mejoras al objeto de la patente principal se basan en un sistema de control que comprende medios de inyección de oxígeno y medios de detección de la variación de la temperatura situado a la salida del horno de fusión.
En una realización de la invención, los medios de detección de la variación de la temperatura y los medios de inyección de oxígeno pueden ser, por un lado, una sonda de temperatura de medición óptica o por termopar, que intimamente o exteriormente comprenden una lanza de inyección de oxígeno, controlada en presión y en caudal que se halla en convivencia con la sonda de temperatura. Dicha inyección de oxígeno puede efectuarse en continuo o discontinuamente y el sistema de control puede ubicarse en cualquier punto de la salida de humos del horno, aunque preferentemente lo más cercano posible al horno de fusión.
Cuando la concentración de inquemados en los humos de salida del horno aumenta hasta el límite de inflamabilidad de éstos con oxígeno, el oxígeno los hace arder localmente de una forma espontánea, produciéndose una llama "particular", de geometría concreta y de temperatura siempre superior a la de los humos. La concreción geométrica de la llama permite que el incremento de temperatura sea captado instantáneamente por el sistema de medición el cual a través de un regulador de temperatura envía la señal a un autómata PLC 6 que actúa cerrando progresivamente la válvula de combustible 7 o abriendo progresivamente la válvula de oxígeno 8. Tanto una maniobra como la otra tiende a aumentar la presión parcial de oxígeno en el horno y por tanto a disminuir la concentración de inquemados en el mismo.
Cuando la concentración de inquemados se halle fuera de los límites de inflamabilidad para ser quemados con oxígeno, el oxígeno no los hará arder y no tan solo no se generarán incrementos locales de temperatura si no que producirán decrementos locales por actuar el oxígeno como refrigerante, siendo el decremento de temperatura proporcional al caudal de oxígeno inyectado.
Este fenómeno amplia el rango de señales; temperatura máxima con inquemados-temperatura mínima con concentración de inquemados fuera del límite de inflamabilidad con oxígeno. Ello proporciona al sistema mayor capacidad de respuesta.
El sistema de control establece una lógica de inquemados en humos-temperatura y se basa en cuatro principios:
* Todos los gases combustibles queman con oxígeno puro a una cierta concentración y a una cierta temperatura.
* Los humos de un horno si contienen monóxido de carbono, hidrógeno o cualquier otro inquemado, a una cierta temperatura arderán localmente según emplazamiento de una o varias inyecciones de oxígeno, generando energía y por tanto una temperatura "siempre superior" a la de los humos.
* Si la concentración de inquemados en los humos se halla fuera de los límites de inflamabilidad, el oxígeno inyectado localmente el la vena de humos, tiene tendencia a enfriar localmente el medio (vena de humos) y por tanto el sistema de captación de temperatura que está en convivencia con él.
* De una forma local, el incremento de temperatura es proporcional al caudal de oxígeno inyectado y a la concentración de inquemados en los humos.
En consecuencia, el sistema de control según la invención permite limitar a un margen más estrecho las posibles variaciones en la concentración de inquemados que se producen en un horno de fusión y, por lo tanto, se trata de un procedimiento más limpio y más respetuoso con el medio ambiente.
A pesar de que se ha descrito y representado una realización concreta de la presente invención, es evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas. Así, por ejemplo, es evidente que forma parte del objeto de la presente invención utilizar el sistema de control de la concentración de inquemados a la salida de un horno de fusión tanto si se trata de un horno de fusión de una carga de aluminio como si se trata de un horno de fusión de cualquier otro material que sea susceptible de emanar inquemados.
Realizaciones preferidas
A fin de llegar a las conclusiones motivo de la presente invención, se han efectuado varios ensayos en un horno rotativo para la fusión de aluminio cuya capacidad de chatarras de aluminio es de 17 Tm., de las cuales entre el 2 y 3% es materia orgánica en forma de lacas, pinturas, aceite, barnices y plásticos de distinta composición y en porcentajes de cada uno de dichos elementos variable. Dicho horno se halla equipado con un quemador oxi-Gas Natural de 2 Mw de potencia nominal y el sistema de combustión FLAMOXAL incluye un autómata programable que recibe información de unos sistemas de temperatura en humos en el cual se ha prefijado un set-point que utilizando la lógica mayor temperatura de humos-mayor concentración de inquemados en chimenea, utiliza como estrategia el cierre progresivo de la válvula de G.N a fin de que el oxígeno sobrante queme el exceso de inquemados (CO y H_{2}), en cuyo momento la concentración de inquemados en chimenea disminuye y por tanto la temperatura de humos, ello es captado por el sistema de temperaturas con set-point que instantáneamente autoriza a la válvula de gas a abrir progresivamente. Los sistemas de captación de temperatura de humos se hallan ubicados según figura 1 en posición TEMPERATURA B Y TEMPERATURA A de dicha figura 1, y la toma de muestras de humos para su análisis en posición CO-CO_{2}-O_{2} de la misma figura (Véase figura 1). Ubicando los captores de temperatura en la posición descrita, los parámetros básicos de fusión son los siguientes:
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|l|}\hline
 Parámetros  \+ Valores \\\hline  Tiempo de quemador  \+ 2,5 horas
\\\hline  Consumo de Gas Natural  \+ 37 m ^{3} /Tm de aluminio
\\\hline  Consumo de Oxígeno  \+ 95 m ^{3} /Tm de aluminio \\\hline 
Velocidad de fusión  \+ 6,8 Tm/h \\\hline  Aluminio total cargado en
el horno  \+ 17 Tm
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
Véanse figuras 3 y 4, donde se muestra la evolución de la temperatura en chimenea según la posición B y la variación de la concentración de CO en una fusión de aluminio en la misma posición B.
En la realización preferida hemos procedido a instalar el sistema de captación de temperaturas cuyo funcionamiento se halla descrito en página 11 según posición TEMPERATURA C + inyección oxígeno manteniendo todo el sistema de combustión en idénticas condiciones e utilizando la misma estrategia de incremento de temperatura, válvula de GN cierra progresivamente, decremento de temperatura válvula de GN abre progresivamente. se han obtenidos los siguientes resultados de explotación:
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|l|l|}\hline
 Parámetros  \+ Valores \\\hline  Tiempo de quemador  \+ 2 horas
\\\hline  Consumo de Gas Natural  \+ 32 m ^{3} /Tm de aluminio
\\\hline  Consumo de Oxígeno  \+ 80 m ^{3} /Tm de aluminio \\\hline 
Velocidad de fusión  \+ 8,5 Tm/h \\\hline  Aluminio total cargado en
el horno  \+ 17 Tm
\\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
Véanse figuras 5 y 6, donde se muestra la evolución de la temperatura a la salida del horno según la posición C y la variación de la concentración de CO en una fusión de aluminio con un sistema de temperatura en la posición C.
Así, por ejemplo, cuando la concentración de inquemados en el punto donde se halla situado el sistema de control es inferior al 4-5%, siendo la temperatura máxima en el termopar de 900ºC, el oxígeno inyectado actúa como refrigerante del termopar, y cuando la concentración de inquemados en el punto donde se halla situado el sistema de control es superior al 4-5%, siendo la temperatura máxima en el termopar de 1600ºC, el oxígeno arde juntamente con el CO y el H_{2} (la temperatura depende del caudal de oxígeno inyectado).
Las figuras muestran los resultados obtenidos teniendo en cuenta las mejoras al objeto de la patente principal P 200102624.

Claims (5)

1. Mejoras en el objeto de la patente principal P200102624 por procedimiento para la fusión de una carga de aluminio que comprende una carga orgánica en un horno de fusión, en donde se lleva a cabo la combustión de dicha carga orgánica utilizando una relación de oxígeno/combustible en el quemador que proporciona una atmósfera oxidante, caracterizadas por el hecho de que se dispone un sistema de control que comprende medios de inyección de oxígeno y medios de detección de la variación de la temperatura, y se llevan a cabo las siguientes etapas:
i)
inyectar oxígeno a presión y caudal conocidos en un punto cualquiera de la salida de humos del horno de fusión;
ii)
detectar la variación de temperatura;
ii-a)
en el caso que dicha variación represente un incremento positivo de la temperatura, modificar la relación oxígeno/combustible en el quemador de manera que la concentración de oxígeno sea mayor a la concentración de oxígeno existente antes de realizar esta modificación; y
ii-b)
en el caso que dicha variación represente un incremento negativo de temperatura, modificar la relación oxígeno/combustible en el quemador de manera que la concentración de oxígeno sea menor a la concentración de oxígeno existente antes de realizar esta modificación.
2. Mejoras en el objeto de la patente principal según la reivindicación 1, donde el sistema de control de la concentración de inquemados se sitúa los más cerca posible a la salida del horno de fusión.
3. Mejoras en el objeto de la patente principal según la reivindicación 1, donde los medios de inyección suministran oxígeno a caudal reducido.
4. Mejoras en el objeto de la patente principal según la reivindicación 1, donde los medios de inyección de oxígeno presentan íntimamente o exteriormente los medios de detección de la variación de la temperatura.
5. Utilización de las mejoras en el objeto de la patente principal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores como sistema de control para reducir la concentración de inquemados en un horno de fusión.
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