ES2211457T3 - Metodo y aparato para continuar la combustion de oxigeno-gas combustible con combustion de aire-gas combustible. - Google Patents
Metodo y aparato para continuar la combustion de oxigeno-gas combustible con combustion de aire-gas combustible.Info
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Abstract
Un procedimiento para mantener el calentamiento de un horno a una temperatura elevada usando combustión de oxígeno- gas combustible, en el que se introduce una llama de oxígeno-gas combustible en el horno cuando se interrumpe o reduce el suministro de oxígeno para la llama, que comprende: - reemplazar la llama de oxígeno-gas combustible con una corriente de aire seleccionada de, aire y aire enriquecido en oxígeno, que contiene 22% a 80% en volumen de oxígeno, introducida en el horno a una velocidad para mantener aproximadamente la misma o mayor velocidad de encendido del quemador que durante la combustión de oxígeno-gas combustible; - e introducir una corriente de gas combustible, independiente, en el horno, por debajo de dicha corriente de aire, para proporcionar combustión de aire-gas combustible manteniendo dicha temperatura en el horno.
Description
Método y aparato para continuar la combustión de
oxígeno-gas combustible con combustión de
aire-gas combustible.
La presente invención se refiere a métodos y
dispositivos de oxígeno-gas combustible para
producir temperaturas elevadas en hornos de fusión industriales
para productos tan diversos como, por ejemplo, metales, vidrio y
materiales cerámicos. En particular, la presente invención se
refiere a combustión y métodos y aparato para la continuación de la
combustión en el caso de disponibilidad restringida o terminada de
oxígeno para el procedimiento de oxígeno-gas
combustible.
El uso de quemadores de
oxígeno-gas combustible en procedimientos
industriales tales como fusión del vidrio, permite que el diseñador
del horno consiga características variables de momento de llama,
extensión de la fusión del vidrio y radiación de llama. Se
describen ejemplos de tales quemadores y procedimientos de
combustión en la patente de EE.UU. A-5.256.058, la
patente de EE.UU. A-5.346.390, la patente de EE.UU.
A-5.547.368 y la patente de EE.UU. A- 5.575.637.
Un procedimiento y aparato particularmente eficaz
para utilizar combustión de oxígeno-gas combustible
en la fabricación de vidrio, concierne a la combustión por etapas,
que se describe en la patente de EE.UU. A-5.611.682
(que corresponde a la patente europea A-0 762
050).
La patente europea A-0 532 825
describe el uso de al menos un quemador auxiliar de
oxígeno-gas combustible en un horno de regeneración,
de quemadores transversales, de fusión de vidrio, que tiene
quemadores de aire-gas combustible. El quemador de
oxígeno-gas combustible está situado y se hace
funcionar para calentar un área específica en la cámara de fusión
del horno sin interrupción sustancial del momento de la llama de
los quemadores de aire-gas combustible. El quemador
de oxígeno-gas combustible ejemplificado tiene un
alimentador de gas combustible, central, situado concéntricamente
con un alimentador de oxígeno. No se estudia hacer funcionar el
horno en el caso de una interrupción o reducción en el suministro
de oxígeno para la llama de oxígeno-gas
combustible.
Al principio de los años 90, los fabricantes de
vidrio empezaron a convertir los hornos de combustión de
aire-gas combustible a combustión de
oxígeno-gas combustible. Se ha llevado a cabo
enriquecimiento en oxígeno de algunos sistemas de
aire-gas combustible en el caso de que se aumentara
la concentración de oxígeno hasta 30%. Normalmente no se usan
concentraciones de oxígeno mayores, en el intervalo de
40-80%, debido al aumento de posibilidad de
formación de contaminantes de NO_{x}. También se ha encontrado que
usar combustión de oxígeno-gas combustible en el
caso de que esté presente oxígeno en una concentración entre
90-100% da como resultado aspectos económicos más
favorables para el usuario.
Como se usa en la presente memoria, la
terminología "aire" se usa para querer decir aire o aire
enriquecido en oxígeno, que contiene 22% a 80% en volumen de
oxígeno a menos que esté claro un significado más limitado a partir
del contexto. Similarmente, la terminología "combustión de
oxígeno-gas combustible" se usa para querer
decir combustión con 80% a 100% en volumen de oxígeno a menos que
esté claro un significado más limitado a partir del contexto. La
terminología "pre-combustor" usada en la
presente memoria incluye bloques del quemador, de nuevo a menos que
esté claro un significado más limitado a partir del contexto.
Muchos de los hornos de vidrio de
oxígeno-gas combustible más grandes se abastecen
por oxígeno generado in situ usando técnicas de adsorción,
usando procesos cíclicos, criogénica o a vacío, bien conocidas. El
habitual y, hasta la fecha, el único método para poner en reserva
el suministro de oxígeno generado in situ, es mantener un
inventario de oxígeno líquido en el mismo sitio. Por lo tanto,
cuando la instalación de generación in situ se lleva fuera de
línea, bien debido a un problema de procedimiento o por
mantenimiento de rutina, se utiliza el inventario de oxígeno
líquido para suministrar el oxígeno para la combustión de
oxígeno-gas combustible. Este método de poner en
reserva el oxígeno generado in situ requiere grandes tanques
aislados para el almacenamiento del oxígeno en forma líquida y
vaporizadores para permitir que el oxígeno líquido se convierta en
oxígeno gaseoso para uso en el procedimiento de
oxígeno-gas combustible. Es tradicional utilizar
camiones para transportar oxígeno líquido al sitio a partir de una
instalación de separación de aire mayor. Utilizar reserva de
oxígeno líquido con un sistema de oxígeno generado in situ
permite que el usuario continúe usando un procedimiento de oxígeno-
gas combustible sin interrupción. Cualquier sistema de combustión de
oxígeno-gas combustible, por ejemplo, uno de los
descritos en las patentes mencionadas anteriormente, se
beneficiaría de la producción in situ con un sistema de
reserva.
Hasta ahora, no se ha considerado que sea un
problema poner de reserva hornos de vidrio de
oxígeno-gas combustible con un inventario de oxígeno
líquido. Sin embargo, con la conversión de más y más hornos en
sitios de múltiples hornos y el uso de combustión de
oxígeno-gas combustible en hornos de vidrio plano o
flotado, que son mucho mayores y usan más oxígeno, la reserva de
oxígeno líquido se convierte en una preocupación significativa para
el usuario debido al alto coste de capital de tanques de
almacenamiento y vaporizadores. Además de la cuestión del coste,
surgen problemas logísticos relacionados con el transporte del
oxígeno líquido al sitio y tener suficiente oxígeno líquido
disponible, con poca antelación, desde una instalación de separación
de aire, cercana, usada para producir el oxígeno líquido. El
transporte de oxígeno líquido a los sitios del usuario en
posiciones lejanas se convierte incluso en un problema mayor lleno
de mayores dificultades.
Normalmente, cuando se convierte un horno de
vidrio de aire-gas combustible a
oxígeno-gas combustible, se retiran dispositivos de
recuperación de calor tales como regeneradores y sistemas de
suministro de aire. Para el usuario, uno de los incentivos para
convertir a oxígeno-gas combustible es el coste de
capital reducido debido a la eliminación de los dispositivos de
recuperación de calor. Debido al diseño de los quemadores de
oxígeno-gas combustible, no se puede hacer funcionar
el horno sustituyendo simplemente aire por oxígeno en sistemas de
combustión tradicionales en uso hoy en día. El requerimiento de
presión para proporcionar una cantidad equivalente de oxígeno
contenido, usando aire en un quemador de oxígeno-gas
combustible sería extremadamente alto, requiriéndose un sistema de
suministro de aire caro. Además, algunos quemadores de
oxígeno-gas combustible estarían limitados a flujo
sónico si se encienden a una velocidad de encendido equivalente.
Cuando se usa combustión de
oxígeno-gas combustible en el caso de que se
restrinja o interrumpa el suministro de oxígeno, la técnica
tradicional es mantener los hornos en un estado llamado
"mantenimiento de calor". El mantenimiento de calor es un
estado en que se detiene la producción y se mantiene el horno
caliente a fin de que no solidifique el vidrio. Permitir que
solidifique el vidrio dañaría seriamente el horno. Diversas empresas
se especializan en calentamiento de hornos siguiendo a reparaciones
de hornos fríos. Usan quemadores de aire-gas
combustible especialmente diseñados para proporcionar el aumento
inicial de temperatura en el horno. En caso de interrupción del
suministro de oxígeno, se podían usar los mismos quemadores para
proporcionar suficiente calentamiento para mantenimiento de calor.
En este procedimiento, no se intentaría ningún perfil especial de
temperaturas para la producción y la temperatura máxima conseguida
por estos dispositivos podía ser aproximadamente 2.200ºF (1.205ºC).
Esta temperatura no es suficiente para la producción de vidrio y es
la opción menos preferida que se tiene que usar por los fabricantes
de vidrio. El coste de no producir vidrio es muy alto para el
fabricante de vidrio, en términos de ventas de producto perdidas así
como interrupción de las líneas de formación de vidrio aguas
abajo.
Por lo tanto, hay una necesidad clara para
proporcionar un método y aparato para mantener la producción en un
horno usado para fabricación de vidrio en el caso de una
restricción o interrupción en la disponibilidad de oxígeno.
La presente invención se refiere a un método y
aparato para poner en reserva un sistema de combustión de
oxígeno-gas combustible con un sistema de
combustión de aire-gas combustible que se puede usar
con o sin enriquecimiento en oxígeno, para mantener la producción
en un horno industrial tal como un horno de fusión de vidrio. De
acuerdo con la presente invención, se ha ideado un sistema que
permite el funcionamiento tanto en modo oxígeno-gas
combustible como en modo aire-gas combustible. El
quemador de acuerdo con la presente invención, tiene
preferiblemente una única característica relacionada con el
funcionamiento a velocidad muy baja para el modo
oxígeno-gas combustible que permite caídas de
presión aceptables a través del quemador cuando se hace funcionar en
un modo aire-gas combustible. Un quemador de
acuerdo con la presente invención puede utilizar enriquecimiento en
oxígeno para llevar a cabo el procedimiento.
En un aspecto, la presente invención proporciona
un procedimiento para mantener el calentamiento de un horno a una
temperatura elevada usando combustión de
oxígeno-gas combustible, en el que se introduce una
llama de oxígeno-gas combustible en el horno,
cuando se interrumpe o reduce el suministro de oxígeno para la
llama, comprendiendo las etapas de:
reemplazar la llama de
oxígeno-gas combustible con una corriente de aire
seleccionada de aire y aire enriquecido en oxígeno, que contiene 22%
a 80% en volumen de oxígeno, introducida en el horno a una
velocidad para mantener aproximadamente la misma o mayor velocidad
de encendido del quemador que durante la combustión de
oxígeno-gas combustible; e
introducir una corriente de gas combustible
independiente en el horno por debajo de dicha corriente de aire,
para proporcionar combustión de aire-gas
combustible manteniendo dicha temperatura en el horno.
De acuerdo con la presente invención, se puede
usar un pre-combustor tradicional tal como se
describe en la patente de EE.UU. A-5.611.682, para
combustión bien de oxígeno-gas combustible o de
aire-gas combustible, permitiendo que el sistema de
combustión se convierta rápidamente entre los dos modos. Cuando
tenga lugar un problema con el suministro de oxígeno, los
quemadores de oxígeno-gas combustible se apagarían,
se desconectarían, y se reemplazarían por quemadores de reserva de
aire-gas combustible con la misma configuración
para una conexión al pre-combustor. Con el sistema
de reserva de aire-gas combustible, el usuario se
quedaría con los sistemas de suministro de aire de sistemas de
aire-gas combustible, previos, usados en la
operación de fusión o se suministrarían ventiladores de aire como
parte del sistema de reserva. Los quemadores de
aire-gas combustible de acuerdo con la presente
invención deberían ser capaces de encender a velocidades
sustancialmente mayores que los quemadores de
oxígeno-gas combustible.
En otro aspecto, la presente invención es un
sistema de combustión del tipo que tiene un quemador de
oxígeno-gas combustible, adaptado, para producir
una llama con un pre-combustor montado sobre el
quemador, teniendo dicho pre-combustor un primer
paso con una entrada en un extremo del quemador del
pre-combustor, estando dicha entrada en estrecha
relación de fluidos con un extremo de la llama del quemador, y una
salida en una zona de descarga del pre-combustor,
estando dicha salida adaptada para dirigir la llama producida por
el quemador para calentamiento en entornos industriales en una
configuración en forma de abanico plano, en general, y un segundo
paso independiente, en el pre-combustor dispuesto
debajo y coextensivo con el primer paso, terminando dicho segundo
paso en un extremo de boquilla en la zona de descarga del
pre-combustor para dirigir fluido oxidante por
debajo y en general paralelo a la llama, caracterizado porque el
sistema además comprende medios de suministro de aire para
introducir uno de, aire o aire enriquecido en oxígeno, a través del
quemador en el primer paso del pre-combustor en
lugar de la llama y medios de suministro de gas combustible para
introducir gas combustible en el segundo paso independiente, en el
pre-combustor, en lugar del fluido oxidante, por lo
cual el sistema de combustión puede continuar calentando el entorno
industrial en el caso de que se interrumpa o reduzca el suministro
de oxígeno.
Normalmente, el pre-combustor
tiene entre 4 y 18 pulgadas (19 y 45 cm) de longitud.
Preferiblemente, el primer paso y el segundo paso tienen cada uno
una relación anchura a altura de entre 5 y 30 y la zona de descarga
del pre-combustor y la anchura de los pasos se
disponen en un ángulo entre -15º y +30, especialmente 0 a +15, en
cualquier lado de un plano vertical central a través del
pre-combustor.
En una realización, la presente invención
considera reducir el volumen de gases de escape en un horno que se
está calentando de acuerdo con el método y aparato mencionados
anteriormente, de la invención, por enfriamiento con agua líquida
de los gases de escape que salen del horno.
La presente invención se refiere a un método y
aparato para poner en reserva un sistema de calentamiento de
oxígeno-gas combustible con un sistema de
calentamiento de aire-gas combustible. De acuerdo
con la invención, se puede hacer funcionar el sistema de
aire-gas combustible de reserva con o sin
enriquecimiento en oxígeno del aire. El quemador de acuerdo con la
invención permite al menos dos modos diferentes de funcionamiento,
es decir, oxígeno-gas combustible y
aire-gas combustible. Una característica preferida
del quemador es el funcionamiento a velocidad muy baja para el modo
oxígeno-gas combustible, permitiendo por lo tanto
caídas de presión aceptables a través del quemador cuando se está
haciendo funcionar en el modo aire-gas
combustible.
Se puede usar el mismo
pre-combustor durante el funcionamiento bien de
oxígeno-gas combustible o aire-gas
combustible, permitiendo que el sistema de combustión se convierta
rápidamente de un modo al otro. En el caso en que un operario se
encontrase con un problema con el suministro de oxígeno, los
quemadores de oxígeno-gas combustible se apagarían,
desconectarían y reemplazarían con quemadores de reserva de
aire-gas combustible con la misma conexión al
pre-combustor. Con un sistema de reserva de
aire-gas combustible, un fabricante de vidrio podía
quedarse con sus sistemas de suministro de aire, presentes antes de
la conversión a combustión de oxígeno-gas
combustible o se suministrarían ventiladores como parte del sistema
de reserva. Es importante que los quemadores de reserva de
aire-gas combustible sean capaces de encender a una
velocidad sustancialmente mayor que la de los quemadores de
oxígeno-gas combustible que se están poniendo en
reserva.
Se requiere mayor velocidad de encendido para el
quemador de aire-gas combustible de reserva debido
a las pérdidas de energía adicionales causadas por calentamiento y
expulsión de nitrógeno. Además, el aire usado para combustión en un
sistema de reserva no se calentará previamente, típicamente, lo que
da como resultado una disminución en la eficacia del horno en
relación con un horno de aire-gas combustible
típico. Un cálculo termodinámico simplificado ilustra la necesidad
de aumentar la velocidad de encendido de gas combustible cuando no
se usa aire calentado previamente para la combustión. Los supuestos
de este ejemplo son: gas combustible y oxígeno reaccionan
completamente sin exceso de oxígeno y no quedan productos
intermedios; todos los gases (por ejemplo, metano, aire u oxígeno)
entran al horno a 77ºF (25ºC); y todos los gases escapan del horno a
2.800ºF (1.540ºC) después de combustión completa. En estas
condiciones, se requiere 2,65 veces la velocidad de encendido
cuando se enciende con aire, en comparación con encender con 100% de
oxígeno para mantener el mismo calor disponible. El calor
disponible es la energía transferida a la carga y para pérdida de
calor del horno.
Por lo tanto, el caudal volumétrico oxidante
total aumentará espectacularmente a medida que se reduzca el caudal
de oxígeno. El volumen de la corriente oxidante aumenta por un
factor de 4,76 debido a la adición de nitrógeno y unas 2,65 veces
adicionales debido al requerimiento de velocidad de encendido
mayor. Esto quiere decir que se aumenta el caudal de la corriente
oxidante por aproximadamente 12,6 veces cuando se sustituye
completamente aire por oxígeno.
Una preocupación principal con el uso de
combustión de aire-gas combustible en un conjunto
de quemadores de oxígeno-gas combustible, es la
presión del suministro de aire requerida para tener cabida para los
volúmenes mayores de gas necesarios. La presente invención utiliza
preferiblemente un sistema oxidante de baja velocidad. Por lo
tanto, incluso cuando se enciende en un modo
aire-gas combustible, la caída de presión es
suficientemente baja para permitir el uso de ventiladores de aire
relativamente económicos, al tiempo que se mantienen velocidades de
encendido de quemadores iguales a, o mayores que, las usadas con el
encendido de oxígeno-gas combustible. Esto,
sucesivamente, permite la continuidad de la producción cuando un
usuario, por ejemplo, un fundidor de vidrio, está operando en el
modo de reserva durante una pérdida o restricción de emergencia de
suministro de oxígeno.
Los quemadores de oxígeno-gas
combustible con velocidades oxidantes mayores que 90 pie/s (27 m/s)
en cualquier punto del diseño del quemador, estarán limitados a
sónico, a la velocidad de encendido equivalente, cuando se use aire
como oxidante a producción completa. La velocidad sónica se define
por la ecuación:
a = \surd
kRT,
donde k es la relación de calores específicos
(1,4 para aire), R es la constante de los gases (287 J/kg K) y T es
la temperatura absoluta. Para aire a 77ºF (25ºC), la velocidad
sónica es 1.135 pie/s (346 m/s). Para un quemador de
oxígeno-gas combustible con una velocidad de oxígeno
de 100 pie/s (30 m/s), el caudal equivalente usando aire será 12,6
veces esa cantidad o 1.260 pie/s (385 m/s) que es mayor que la
velocidad sónica. Por lo tanto, para evitar un limite sónico, el
quemador de oxígeno-gas combustible se debe diseñar
con una velocidad de oxígeno menor que 90 pie/s (27 m/s) si se
tiene que usar sustitución completa de aire por oxígeno sin cambiar
ninguna parte del conjunto de quemadores. Alternativamente, se
puede evitar este límite de acuerdo con un aspecto de la invención
en el caso de que se cambie el cuerpo del quemador cuando se cambie
entre modos de funcionamiento. El pre-combustor se
debería diseñar a fin de que la velocidad superficial sea menor que
la velocidad sónica para funcionamiento de aire-gas
combustible.
La forma de la llama también es una preocupación
para quemadores de oxígeno-gas combustible
tradicionales que se hacen funcionar a 2,65 veces su considerada
capacidad de encendido, especialmente con 12,6 veces el caudal
volumétrico a través del(de los) paso(s) de
oxidante(s). Una realización de la invención descrita a
continuación, proporciona una forma de llama adecuada para
funcionamiento tanto de oxígeno-gas combustible como
de aire-gas combustible.
Se pueden superar las preocupaciones relacionadas
con la presión del suministro de oxidante, límites de velocidad y
forma de la llama, de acuerdo con la presente invención. Hemos
encontrado que es posible permitir que un usuario cambie de
encendido de oxígeno-gas combustible a encendido de
aire-gas combustible usando el mismo
pre-combustor al tiempo que se modifica el cuerpo
del quemador de un quemador Cleanfire® HR™ ofrecido a la industria
por Air Products and Chemicals Inc., de Allentown Pennsylvania.
Lo siguiente es una descripción por medio de
ejemplo sólo y con referencia a los dibujos que se adjuntan de una
realización actualmente preferida de la invención. En los
dibujos:
la Figura 1 es una vista en perspectiva,
esquemática, de un aparato de combustión de
oxígeno-gas combustible, por etapas,
convencional;
la Figura 2 es una vista tomada a lo largo de la
línea 2-2 de la Figura 1;
la Figura 3 es una vista en perspectiva,
esquemática, de un aparato de acuerdo con la presente
invención;
la Figura 4 es una vista frontal del
pre-combustor del aparato de la Figura 3;
la Figura 5 es una gráfica de caudal de metano
normalizado frente a caudal de oxígeno normalizado para condiciones
de producción cero a producción completa;
la Figura 6 es una gráfica de concentración de
oxígeno frente a caudal de oxígeno normalizado para los regímenes
de producción de la Figura 5;
la Figura 7 es una gráfica de caudal de gases de
escape normalizado frente a caudal de oxígeno normalizado para
diversos regímenes de producción;
la Figura 8 es una gráfica de caudal de gases de
escape normalizado, después de dilución con aire, frente a caudal
de oxígeno para regímenes de producción entre producción cero y
completa; y
la Figura 9 es una gráfica de caudal de salida de
gases normalizado, después de dilución con agua, frente a caudal de
oxígeno normalizado, para producción de hornos de cero a producción
completa.
Con referencia a la Figura 1, un aparato 10 de
combustión por etapas incluye un quemador 12 de
oxígeno-gas combustible y un
pre-combustor 14. El quemador 12 de
oxígeno-gas combustible incluye un conducto 16
central para recibir un gas combustible tal como gas natural, que
está indicado por la flecha 18. Se introduce una fuente de oxígeno
indicada por la flecha 20, en un paso que está entre el conducto 16
de gas combustible y un conducto 22 concéntrico exterior. El
quemador se describe con detalle en la patente de EE.UU.
A-5.611.682. El extremo de la llama del quemador 12
se ajusta a un extremo 28 del quemador del
pre-combustor 14 y se mantiene en relación estrecha
de fluidos al mismo. El pre-combustor 14 contiene
un paso 26 primero o central, que se extiende desde el extremo 24
del quemador a una zona 28 de descarga del
pre-combustor 14. El paso 26 tiene una anchura mayor
que la altura y tiene una forma divergente, como se muestra y como
se describe en la patente de EE.UU. A-5.611.682.
Para tener combustión por etapas, se introduce el oxígeno por
etapas, representado por la flecha 30, en un segundo paso 32 en el
pre-combustor 14. El paso 32 tiene una forma
favorable a la del paso 26 central y también tiene una anchura
mayor que la altura, como se ilustra y de nuevo como se describe en
detalle en la patente de EE.UU. A-5.611.682.
Con referencia a la Figura 2, en el extremo 24
del quemador del pre-combustor 14, el quemador 12 de
oxígeno-gas combustible tiene una zona de descarga
con un conducto 16 de gas combustible central rodeado por un paso 22
de oxígeno. El oxígeno de la etapa sale de un paso 31 que está
dispuesto por debajo del conducto 16 para la llama de
oxígeno-gas combustible como se muestra en la
Figura 2.
La Figura 3 muestra un aparato de combustión de
acuerdo con la presente invención. El aparato 40 de combustión
incluye un pre-combustor 14, que es idéntico al
pre-combustor 14 de la Figura 1. De acuerdo con la
presente invención, el quemador 42 es similar al quemador 12 de
oxígeno-gas combustible de la Figura 1, con un
dispositivo 44 para permitir la introducción de aire (o aire
enriquecido en oxígeno) en un paso 50 superior del quemador 42. El
quemador 42 también está adaptado para introducir aire por el paso
48 del quemador 42, en el paso 50 superior, en el caso de que se
mezcle oxidante de los pasos 44 y 48. La flecha 46 representa la
introducción de aire en el dispositivo 44 que sucesivamente
introduce el aire en el paso 50. La flecha 56 representa la
introducción de aire en el paso 48. El aire se mueve desde el paso
50 al paso 26 central del pre-combustor y sale al
horno.
Cuando el quemador se convierte de encendido de
oxígeno-gas combustible a aire-gas
combustible, el suministro de oxígeno por etapas (indicado por la
flecha 30 en la Figura 1) se reemplaza por gas combustible,
representado por la flecha 54, a fin de que el gas combustible, que
puede estar enriquecido en oxígeno, salga del paso 32 del
pre-combustor 14. En la Figura 4 se muestran
esquemáticamente los pasos 26 y 32 en el extremo frontal del
pre-combustor 14, usándose el paso 26 para
introducir aire en el horno y usándose el paso 32 para introducir
gas combustible en el horno. Cuando se usa el quemador 42 en el modo
de encendido de aire-gas combustible, el aire fluye
a través del paso 26 y el gas combustible fluye a través del paso
32. El diseño del pre-combustor es tal que se
establece una llama de aire-gas combustible estable
debido a la región de recirculación entre las dos aberturas.
Además de capacidad de encendido de
aire-gas combustible simple, el dispositivo de la
presente invención permite que se tengan que llevar a cabo grados
de enriquecimiento en oxígeno variables. El uso de enriquecimiento
en oxígeno mejora la flexibilidad durante el funcionamiento en el
modo de reserva, por disminución del uso de oxígeno suministrado a
partir de almacenamiento de oxígeno líquido. También permite el
ajuste de la longitud de la llama por adición de oxígeno al flujo
de aire.
Se puede suministrar oxígeno suplementario por
diversos métodos. Por ejemplo, el aire se puede enriquecer con
oxígeno, se podían suministrar chorros de oxígeno a través de
cualquiera o de ambos, el paso 26 primario del
pre-combustor 14 o la toma 32 para trabajar por
etapas o se podían instalar chorros de oxígeno independientes a una
distancia lejos del pre-combustor 14 o la toma 32
para trabajar por etapas. El oxígeno introducido a través de la toma
para trabajar por etapas, con el gas natural, podía proporcionar
medios para crear hollín para mejor transferencia de calor por
radiación a la carga del horno.
Usar el método y aparato de la presente invención
hace posible mantener la temperatura y distribución de temperaturas
máxima, necesaria para la producción de vidrio. El enriquecimiento
en oxígeno o encendido de oxígeno-gas combustible,
se debería usar preferiblemente en quemadores con las velocidades de
encendido más altas cerca del punto caliente en el horno. Esto
reducirá el caudal de aire necesario para estos quemadores y
reducirá la caída de presión. También el enriquecimiento en oxígeno
aumenta la temperatura de llama más alta y aumentan, de ese modo,
las transferencias de calor en el punto caliente. Se sabe bien que
se requiere un punto caliente en hornos de fabricación de vidrio
para establecer células de convección apropiadas en la fusión de
vidrio, que se requieren para producir vidrio de calidad
aceptable.
Mientras se pueden usar otras tecnologías de
aire-gas combustible para mantener las condiciones
de mantenimiento de calor, se desea que la presente invención
permita que el usuario continúe la producción. La velocidad de
encendido mínima proporcionada por el sistema de reserva de
aire-gas combustible es normalmente tal que se
puede mantener al menos 20% del régimen de producción de diseño. Se
cree que este régimen de producción es suficiente para permitir que
un productor de vidrio flotado mantenga una cinta de vidrio continua
en el baño de flotado.
Se podían modificar quemadores de
oxígeno-gas combustible de mayor velocidad para
funcionamiento a velocidad baja, por adición de una o más tomas de
entrada para usar la tecnología descrita en la presente memoria.
Estas entradas normalmente se podían cerrar o usar para trabajar
por etapas durante el funcionamiento de oxígeno-gas
combustible. También, se podían añadir una o más tomas de entrada
adicionales sobre el hilo volante previo al comienzo de la reserva
de aire-gas combustible, por perforación de un
agujero en la pared refractaria en una posición cercana a la toma
del quemador.
Otra alternativa para hornos que usan quemadores
de alta velocidad es reemplazar los pre-combustores
con bloques que tengan aberturas mayores para reducir la caída de
presión. Con este método hay el peligro de introducir material
refractario extraño en el fundido de vidrio durante el procedimiento
de reemplazamiento, que podía causar defectos del vidrio. Además,
el reemplazamiento de pre-combustores sobre el hilo
volante requiere tiempo sustancial, posiblemente demasiado tiempo
para evitar la interrupción de la producción.
La Figura 5 muestra el caudal de metano requerido
para condiciones de mantenimiento de calor (régimen de producción
cero; línea de trazo discontinuo), condiciones de: 20% (línea de
puntos), 50% (línea de puntos y trazos discontinua) y producción
completa (línea continua), suponiendo, por ejemplo, que se requiere
35% del calor disponible para pérdidas de calor de la pared del
horno en condiciones de producción completa. El mantenimiento de
calor se podía conseguir a velocidades de encendido menores de las
que muestra la gráfica, puesto que la temperatura del horno global
se disminuiría, reduciendo de ese modo las pérdidas de calor de la
pared. Esta gráfica supone que las pérdidas de calor permanecen
iguales, independientemente del régimen de producción o el uso de
oxígeno. El caudal de metano está normalizado en base al caudal de
metano para producción completa con 100% de
oxígeno-gas combustible, y el caudal de oxígeno
está normalizado en base al caudal de oxígeno para producción
completa con 100% de oxígeno-gas combustible. El
caudal de oxígeno normalizado es 1,0 cuando se suministra todo el
oxidante para la combustión por la fuente de oxígeno (no aire) y
cero cuando se suministra todo el oxidante para la combustión por
aire.
La Figura 6 es una gráfica correspondiente de
concentración de oxígeno como una función de caudal de oxígeno
normalizado para cada uno de los regímenes de producción mostrados
en la Figura 5.
Como se indica por el punto A en la Figura 5, el
mantenimiento de calor, usando sólo aire como oxidante para
combustión (caudal de oxígeno normalizado cero), el caudal de
metano es aproximadamente el mismo que se requiere para 100% de
oxígeno-gas combustible a producción completa (valor
normalizado igual a 1). El mantenimiento de calor también se podía
mantener a 35% del caudal de oxígeno de producción completa con 35%
del caudal de metano de producción completa (punto B). Con
referencia a la Figura 6 (punto B), la condición de funcionamiento
representada por el punto B, corresponde a 100% de
oxígeno-gas combustible sin dilución de aire.
La Figura 5 muestra que el caudal de oxígeno y el
caudal de metano se pueden reducir cada uno a la mitad para
producir 20% de producción completa. Esto quiere decir que si la
producción se limita a 20% del régimen de producción completa, el
suministro de oxígeno almacenado puede durar dos veces más. De
acuerdo con la Figura 6, esto corresponde a 100% de encendido de
oxígeno-gas combustible.
A 50% de producción, el caudal de oxígeno se
podía reducir a la mitad del caudal de producción completa y el
metano a aproximadamente 95% del caudal de producción completa. De
acuerdo con la Figura 6, la concentración de oxígeno para este
estado de funcionamiento sería aproximadamente 35%.
La temperatura de los gases de escape de un horno
de oxígeno-gas combustible es mayor que una
correspondiente a horno de aire-gas combustible
después del dispositivo de recuperación de calor. Los fabricantes de
vidrio deben disminuir, por lo tanto, la temperatura de los
productos de combustión de oxígeno-gas combustible
por algún método antes de que los gases entren en las secciones del
circuito de evacuación de humos fabricado con metal. Debido a los
reglamentos de contaminación del aire actuales, el tratamiento de
gas combustible para hornos de vidrio típicamente incluye
dispositivos de separación de componentes particulados tales como
precipitadores electrostáticos o cámaras de filtros. Estos
dispositivos tienen una temperatura de funcionamiento máxima
significativamente menor que la temperatura de salida de gases de
hornos de oxígeno-gas combustible, típicamente
alrededor de 1.000ºF (540ºC). Por lo tanto, se deben enfriar los
gases de escape por aire de dilución frío (normal) antes de estos
dispositivos.
Si se sustituye aire por oxígeno, para combustión
en un horno diseñado para combustión de oxígeno-gas
combustible, el volumen de salida de gases aumentará
sustancialmente. La Figura 7 muestra cómo el caudal de salida de
gases aumenta a medida que se sustituye aire por oxígeno para
diversos regímenes de producción. Los mismos supuestos considerando
las temperaturas de entrada y salida y pérdidas de calor usadas
para las figuras previas, se usan para generar esta figura. El
caudal de salida de gases se normaliza con respecto al caudal de
salida de gases para producción completa con 100% de
oxígeno-gas combustible. Para producción completa,
el caudal de salida de gases se aumentará por más de nueve veces si
el oxígeno se reemplaza completamente por aire. Se puede esperar
más de tres veces el caudal de salida de gases en condiciones de
mantenimiento de calor cuando el aire reemplaza completamente el
oxígeno.
Como resultado del flujo aumentado de gases de
escape calientes, se puede proporcionar mucho más aire de dilución
para disminuir la temperatura al mismo nivel antes de que los gases
entren en la sección de metal del circuito de evacuación de humos.
La Figura 8 muestra el resultado de los cálculos termodinámicos
cuando los gases de escape del horno a 2.800ºF (1.540ºC) se diluyen
con aire a 77ºF (25ºC) para producir una corriente de gases a
1.000ºF (540ºC), que es una temperatura adecuada para la sección de
metal del circuito de evacuación de humos. El caudal de salida de
gases normalizado después de dilución con aire se representa
gráficamente como una función del caudal de oxígeno normalizado. El
flujo de salida de gases se normaliza con respecto al 100% de
oxígeno-gas combustible, caso de producción completa
donde los gases de escape a 2.800ºF (1.540ºC) se diluyen con aire a
77ºF (25ºC) para producir una corriente de gases a 1.000ºF (540ºC).
Si se sustituye aire por oxígeno en condiciones de producción
completa y los gases de escape se diluyen con aire a 77ºF (25ºC)
para producir una corriente a 1.000ºF (540ºC), el caudal de gases de
escape resultante sería mayor que 7,5 veces el caso de
oxígeno-gas combustible de producción completa. Los
circuitos de evacuación de humos no son capaces de sostener esto
más de un aumento en producción debido a limitaciones de caída de
presión. La presión del horno aumentaría posiblemente conduciendo a
fallo estructural.
Hay diversas maneras de hacer frente al volumen
aumentado de gases de combustión: por ejemplo, producción reducida,
enriquecimiento en oxígeno para combustión, formas alternativas de
enfriar los gases de combustión (por ejemplo, con agua), usando
capacidad de salida de gases, de gases de combustión, adicional,
poniendo en derivación la sección de tratamiento de gases de
combustión o una combinación de dos o más de estos métodos
anteriores. Un método preferido de resolver el volumen aumentado de
gases de combustión, de acuerdo con la presente invención, es
combinar enfriamiento de agua, producción reducida y si es necesario
enriquecimiento en oxígeno para combustión.
La Figura 9 muestra los resultados de un cálculo
termodinámico en que agua líquida a 77ºF (25ºC) proporciona
enfriamiento por contacto directo por evaporación. Se representa
gráficamente el caudal de salida de gases normalizado, después de
dilución con agua, frente al caudal de oxígeno normalizado. El
flujo de salida de gases está normalizado con respecto al caso de
producción completa, de oxígeno-gas combustible al
100%, en que los gases de escape a 2.800ºF (1.540ºC) se diluyen con
aire a 77ºF (25ºC) para producir una corriente de gases a 1.000ºF
(540ºC). La figura muestra que se puede reducir el volumen de gases
de escape por 50% para funcionamiento de oxígeno-gas
combustible de producción completa, cuando se sustituye agua por
aire, como medio de enfriamiento, en la corriente de salida de
gases. Para el caso de producción completa usando aire en lugar de
oxígeno para combustión y usando agua para enfriar los gases de
escape, el caudal de salida de gases es 3,6 veces la producción
completa del caso base, caso oxígeno-gas combustible
completo. Para 50% de producción, usando aire en lugar de oxígeno
como oxidante, el volumen de corriente de salida de gases es
aproximadamente 2,5 veces mayor que la producción completa del caso
base, caso de oxígeno-gas combustible completo.
\newpage
Las alternativas a la invención propuesta son:
Opción 1) encendido de oxígeno-gas combustible al
100% continuado con más almacenamiento de oxígeno, Opción 2)
mantenimiento de calor con quemadores de calentamiento de
aire-gas combustible, y Opción 3) mantenimiento de
calor o algo de producción con quemadores de
oxígeno-gas combustible de alto momento, que usan
aire en lugar de oxígeno. La diferencia entre la invención
propuesta y la Opción 1, es el uso de oxígeno y el gasto de
almacenamiento de oxígeno líquido, reducidos. La diferencia entre
la invención y la Opción 2, es producción y gasto continuado. La
diferencia entre la invención y la Opción 3, es la dificultad
técnica de suministrar aire con una presión alta.
El beneficio de la invención comparado con la
Opción 1, es menor coste de capital (menos tanques de
almacenamiento de oxígeno líquido). También, dependiendo de la
extensión de tiempo que está apagada la planta de oxígeno in
situ, se evitan las logísticas y problemas de disponibilidad de
oxígeno líquido. Otro beneficio de la invención propuesta sobre la
Opción 1, es que puede funcionar si hay un problema con los
conductos de suministro de oxígeno o bloqueos de control de flujo.
Un beneficio de la invención comparado con la Opción 2, es
temperatura máxima mayor en el horno con perfil de temperaturas
similar necesario para producción de vidrio. Otro beneficio de la
invención comparado con la Opción 2, es producción continuada. El
procedimiento más eficaz es cuando la producción completa continúa
usando aire o aire enriquecido en oxígeno. Incluso la producción a
un nivel mínimo para sustentar una cinta de vidrio en el baño de
flotado, es extremadamente valiosa. Restituir la cinta de vidrio
lleva tiempo y podía retrasar la producción por uno o más días. Por
ejemplo, para un horno de vidrio plano, que produce 600 t/día (545
toneladas/día) y con vidrio valorado a 300\textdollar/t
(272\textdollar/tonelada), la producción de un día vale
180.000\textdollar. Un beneficio adicional de la invención
comparado con la Opción 2, es que el sistema de reserva está en su
lugar. La Opción 2 requiere que una empresa externa deba venir a la
instalación e instalar su equipo. Un beneficio aún adicional de la
invención es que no se requiere que el material refractario del
horno se perfore, se corte, o de otro modo se altere.
La presente invención proporciona al usuario la
habilidad de usar diferentes quemadores para funcionamiento de
aire-gas combustible y oxígeno-gas
combustible, un sistema de montaje común para quemadores de
aire-gas combustible y oxígeno-gas
combustible, temperaturas de horno máximas más altas en comparación
con quemadores de calentamiento de aire-gas
combustible. El procedimiento de la presente invención es capaz de
generar una distribución de temperaturas similar en un horno
necesario para procesamiento de vidrio, permite velocidades de
encendido más altas en el punto caliente del horno por aumento
preferentemente de concentración de oxígeno, permite el uso de tomas
independientes pero estrechamente espaciadas para la introducción
de aire y gas combustible para funcionamiento de
aire-gas combustible y cambiar la función de
pre-combustor/tomas para trabajar por etapas, para
funcionamiento de aire-gas combustible y
oxígeno-gas combustible. Para funcionamiento de
oxígeno-gas combustible, se usa la abertura más
grande como pre-combustor con oxígeno y flujo de
gas combustible y la abertura menor para suministrar, por etapas,
oxígeno. Para funcionamiento de aire-gas
combustible, se usa la abertura mayor para hacer fluir aire o aire
enriquecido en oxígeno y la toma menor principalmente para gas
combustible.
Está dentro del alcance de la presente invención
tener un pre-combustor independiente colocado en la
pared del horno para introducir aire o aire enriquecido en oxígeno
y gas combustible en el horno. En este modo, el quemador de
oxígeno-gas combustible se apagaría y se usaría el
pre-combustor independiente para llevar a cabo la
combustión de acuerdo con las explicaciones de la invención, como
se define en las reivindicaciones.
También está dentro del alcance de la presente
invención introducir aire y gas combustible en el horno a través de
quemadores independientes o sistemas de tuberías que son
independientes de los quemadores de oxígeno-gas
combustible, siempre que se introduzcan el aire o aire enriquecido
en oxígeno y gas combustible, de acuerdo con las explicaciones de
la invención, como se define en las reivindicaciones.
Claims (19)
1. Un procedimiento para mantener el
calentamiento de un horno a una temperatura elevada usando
combustión de oxígeno-gas combustible, en el que se
introduce una llama de oxígeno-gas combustible en el
horno cuando se interrumpe o reduce el suministro de oxígeno para
la llama, que comprende:
reemplazar la llama de
oxígeno-gas combustible con una corriente de aire
seleccionada de, aire y aire enriquecido en oxígeno, que contiene
22% a 80% en volumen de oxígeno, introducida en el horno a una
velocidad para mantener aproximadamente la misma o mayor velocidad
de encendido del quemador que durante la combustión de
oxígeno-gas combustible; e
introducir una corriente de gas combustible,
independiente, en el horno, por debajo de dicha corriente de aire,
para proporcionar combustión de aire-gas
combustible manteniendo dicha temperatura en el horno.
2. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que durante la combustión de
oxígeno-gas combustible se introduce una corriente
oxidante por debajo de la llama de oxígeno-gas
combustible y, cuando se interrumpe o reduce el suministro de
oxígeno para dicha llama y la corriente oxidante, la llama de
oxígeno-gas combustible se reemplaza con la
corriente de aire y la corriente oxidante se reemplaza con la
corriente de gas combustible independiente.
3. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que el horno es un horno
de fusión de vidrio que tiene diversos quemadores y, durante la
operación de combustión de aire-gas combustible, se
mantiene la distribución de temperaturas en el horno, usando
corriente de aire de mayor concentración de oxígeno en esos
quemadores adyacentes a un punto caliente en el horno, que en los
otros quemadores.
4. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que durante la
combustión de aire-gas combustible, la corriente de
aire tiene un caudal (calculado como aire no enriquecido en
oxígeno) aproximadamente 12,6 veces mayor que el caudal de oxígeno
durante la combustión de oxígeno-gas
combustible.
5. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que la velocidad de la
corriente de aire en una zona de descarga del quemador es menor que
76 m/s (250 pie/s).
6. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que se introducen la
corriente de aire y la corriente de gas combustible, independiente,
a través de un pre-combustor.
7. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 6, en el que se usa el mismo
pre-combustor para la combustión de
oxígeno-gas combustible y la combustión de
aire-gas combustible.
8. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de gas
combustible, independiente, contiene oxígeno para exaltar la
transferencia de calor por radiación a una carga que se está
calentando en dicho horno.
9. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que los gases de escape
que salen del horno se enfrían con agua líquida.
10. Un sistema de combustión que tiene un
quemador (12) de oxígeno-gas combustible adaptado
para producir una llama con un pre-combustor (14)
montado sobre el quemador (12), teniendo dicho
pre-combustor (14) un primer paso (26) con una
entrada en un extremo (24) del quemador del
pre-combustor (14), estando dicha entrada en
estrecha relación de fluidos con un extremo de la llama del
quemador (12), y una salida en una zona (28) de descarga del
pre-combustor (14), estando dicha salida adaptada
para dirigir la llama producida por el quemador (12) para calentar
en entornos industriales, en una configuración en forma de abanico
plano, en general, y un segundo paso (32) independiente, en el
pre-combustor dispuesto por debajo y coextensivo con
el primer paso (26), terminando dicho segundo paso (32) en un
extremo de boquilla en la zona (28) de descarga del
pre-combustor (14) para dirigir fluido oxidante por
debajo y en general paralelo a la llama, caracterizado
porque el sistema además comprende:
medios (46 y 56) de suministro de aire para
introducir aire o aire enriquecido en oxígeno, a través del
quemador (12) en el primer paso (26) del
pre-combustor (14) en lugar de dicha llama; y
medios (54) de suministro de gas combustible para
introducir gas combustible en dicho segundo paso (32),
independiente, en dicho pre-combustor en lugar de
dicho fluido oxidante,
por lo cual dicho sistema de combustión puede
continuar para calentar dicho entorno industrial en el caso de que
se interrumpa o reduzca el suministro de oxígeno.
11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
10, en el que dicho pre- combustor (14) tiene entre 19 y 45 cm (4 y
18 pulgadas) de longitud.
12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
10 o reivindicación 11, en el que el primer paso (26) y el segundo
paso (32) tienen cada uno una relación de anchura a altura de entre
5 y 30 en la zona de descarga del pre-combustor
(14).
13. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 10 a 12, en el que las paredes que definen la
anchura del primer paso (26) y el segundo paso (32) están
dispuestas en un ángulo entre -15º y +30 en cualquier lado de un
plano vertical central a través del
pre-combustor.
14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
13, en el que dicho ángulo está entre 0 y +15 en cualquier lado de
dicho plano vertical.
15. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 10 a 14, en el que los medios (54) de
suministro de gas combustible incluyen medios para introducir
oxígeno en el gas combustible suministrado al
pre-combustor (14).
16. Un horno de calentamiento que comprende un
sistema de combustión según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 15.
17. Un horno de acuerdo con la reivindicación 16,
que comprende medios de enfriamiento con agua para enfriar con agua
gases de escape que emergen del horno cuando está en uso dicho
sistema de combustión.
18. El uso de un quemador de
aire-gas combustible, en que se introduce una
corriente de aire, seleccionada de aire y aire enriquecido en
oxígeno, que contiene 22% a 80% en volumen de oxígeno, en el horno,
por encima de una corriente de gas combustible independiente, para
mantener una temperatura de funcionamiento en un horno calentado
por quemador de oxígeno-gas combustible durante la
interrupción de suministro de oxígeno al quemador de
oxígeno-gas combustible.
19. Un uso de acuerdo con la reivindicación 18,
en el que el horno se calienta por un sistema de combustión según
se define en una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15.
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