ES2219282T3 - Perfeccionamiento en los quemadores de gas para el calentamiento de un gas que circula a traves de un conducto. - Google Patents

Abstract

Quemador destinado a ser colocado en un conducto para calentar un gas que circula a través de éste conducto y que comprende un tubo (1) de eje XX¿, apto para ser colocado transversalmente con relación a la dirección A de circulación de dicho gas, alimentado con gas combustible (10) y horadado con al menos dos orificios (3), alineados sobre una misma generatriz (18) y un estabilizador de llama (2), formado por dos aletas (12) divergentes, que forman deflector a uno y otro lado de dicha generatriz (18), caracterizado porque al menos uno de dichos orificios (3) está prolongado por una tubuladura (11), que se extiende más allá de los bordes exteriores (17) de las aletas (12) y que está horadado con al menos un orificio (9) de eyección del gas (10) combustible en su extremidad distal.

Description

Perfeccionamiento en los quemadores de gas para el calentamiento de un gas que circula a través de un conducto.

La presente invención tiene por objeto un perfeccionamiento en los quemadores de gas para el calentamiento de un gas que circula a través de un circuito.

El sector técnico es la realización de quemadores denominados "en vena" puesto que están colocados directamente en el interior del conducto de circulación del gas, cuyos quemadores están dispuesto en rampas compuestas, en general, por bloques elementales y dispuestas transversalmente con relación a la dirección de circulación del gas.

En la presente descripción se designará como quemadores, indiferentemente al conjunto de una rampa compuesta por varios bloques elementales o al propio bloque elemental.

Las aplicaciones principales de la invención consisten en el recalentamiento de los gases de turbinas en las instalaciones de cogeneración. Éste quemador denominado de post-combustión permite mejorar el rendimiento global de la instalación, modular la producción de vapor en función de las necesidades y, de manera accesoria, para mantener ésta producción en caso de detención de la turbina de gas. En éste caso, un ventilador aspirante de aire ambiente proporciona el comburente necesario para los quemadores en lugar de los gases de escape de la turbina.

Tales quemadores deben poder proporcionar con una llama estable, en condiciones muy diferentes, bien con gas de turbina a la temperatura de 300 a 600ºC, y compuesto por un 11 hasta un 15% de oxígeno o bien con el aire ambiente. Un ejemplo de éste tipo de quemador está inscrito en la patente europea 313 469 publicada el 23 de Abril de 1989 a nombre de la sociedad MECANIQUE GENERALE FOYERS TURBINE.

La reglamentación francesa relativa a las emisiones de éste tipo de instalación ha sido completada recientemente por el decreto del Ministerio de Administración Territorial y del Medio Ambiente francés del 11 de Agosto de 1999 que limita las emisiones de óxido de nitrógeno y de óxidos de carbono, en particular para las calderas utilizadas en post-combustión, a valores dados que son un máximo de producción de 200 mg/Nm^{3} para los óxidos de nitrógeno NOx y de 250 mg/Nm^{3} para los óxidos de carbono CO.

Los quemadores, tales como los que se han descrito en la patente europea anteriormente citada, permiten respetar éste decreto durante el funcionamiento con gas de turbina; sin embargo, y aún cuando se hayan descrito ciertos dispositivos en ésta patente para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno, éstos no permiten en la mayor parte de los casos obtener los valores reglamentarios durante el funcionamiento de la post-combustión únicamente con el aire ambiente.

El problema planteado consiste por lo tanto en poder realizar y hacer funcionar un quemador, denominado "en vena" respetando los valores reglamentarios anteriormente citados al mismo tiempo que se conserva una buena estabilidad de la llama.

Una solución al problema planteado consiste en un quemador de tipo conocido destinado a ser colocado en un conducto para calentar un gas que circula a través de éste conducto y que comprende un tubo apto para ser dispuesto transversalmente, con relación a la dirección de circulación de dicho gas, alimentado con gas combustible y horadado con al menos dos orificios alineados sobre una misma generatriz, eventualmente dotados con inyectores, y que permiten emitir chorros de gas combustible dirigidos hacia abajo; un estabilizador de llama formado por dos aletas divergentes, que forman deflector, a uno y a otro lado de dicha generatriz, está fijado sobre dicho tubo y sirve para derivar la corriente de gas comburente, para crear aguas abajo de la rampa de quemadores, una zona protegida en la que la llama puede desarrollarse.

Según la invención, al menos uno de dichos orificios está prolongado por una tubuladura, que se extiende más allá de los bordes exteriores de las aletas y que está horadada con al menos un orificio de eyección del combustible en su extremidad distal.

Una tubuladura de éste tipo inyecta, de éste modo, una parte del gas combustible por ejemplo a menos de 100 ml aguas abajo de los otros orificios que no portan tubuladura, permitiendo el escalonamiento de la eyección de éste gas y de las llamas de combustión obtenidas, y por lo tanto la reducción del porcentaje de óxidos de nitrógeno NOx producido: en efecto, la llama principal, obtenida de éste modo, por ésta inyección escalonada, y que, por lo tanto, está más alejada del estabilizador deflector, está más aireada; la combustión se produce con un exceso mucho mayor de aire por lo tanto a temperatura más baja, lo que produce una fuerte reducción de la formación de los óxidos de nitrógeno de origen esencialmente térmico, y cuánto mayor sea el escalonamiento, mayor será la reducción de los óxidos de nitrógeno.

Un método de reducción de los óxidos de nitrógeno NOx, de éste tipo, por extendido del gas, se ha mostrado ya ciertamente en la solicitud de patente precitada EP 313 469, pero las tubuladuras no han sido mencionadas más que como opción y están situadas en el exterior de los bloques que constituyen el quemador, estando situada la extremidad de éstos tubos aproximadamente en el mismo plano que el borde anterior de las aletas del estabilizador y en el exterior del mismo.

El inconveniente principal de ésta disposición consiste en una formación importante de óxido de carbono CO mucho mayor que el límite admitido por el decreto anteriormente citado. Ésta formación se debe a la distancia, demasiado grande, entre la llama que se desarrolla al abrigo de las aletas del estabilizador y la inyección de gas secundario, una de cuyas partes, fuertemente diluida con aire, ya no arde o lo hace de forma incompleta.

La presente invención permite, entre otras cosas, remediar éste defecto: el principio de reducción de los NOx consiste también en el extendido del gas pero éste escalonamiento se realiza de forma axial en lugar de radial. Para evitar la formación de CO es suficiente conservar para los orificios clásicos, sin tubuladura, un caudal suficiente (menos del 30% del caudal global de gas combustible) para crear una llama piloto que asegure el encendido y la estabilidad de la llama principal, procedente de la inyección escalonada.

En un modo preferente de realización para mejorar la aireación de la llama principal escalonada, la extremidad distal de la tubuladura comprende, al menos, cuatro orificios de eyección diferentes y el gas puede ser eyectado entonces por éstos diversos orificios con ángulos diferentes en lugar de serlo a través de un solo orificio en el eje del tubo. En el ejemplo de realización, representado y descrito en las figuras adjuntas, los ejes de eyección de los orificios están inclinados dos a dos, entre sí, un ángulo \beta de 20 a 50º a uno y a otro lado del plano definido por la generatriz de alineación de los orificios y el eje del tubo y, por otra parte, un ángulo \alpha de 10 a 30º a uno y a otro lado del plano perpendicular al precedente, y que pasa por el orificio prolongado por dicha tubuladura. Éstos ángulos \alpha y \beta son importantes para la calidad de los resultados y deben ser determinados en función de las dimensiones del quemador y del hogar sobre el que éste está montado.

Además, con el fin de poder aumentar todavía más éste efecto de escalonamiento reduciéndose el caudal primario, es posible conservar la estabilidad de la llama principal, denominada secundaria, puesto que ésta realiza el escalonamiento del gas combustible únicamente con un 10% del gas en los orificios primarios que no comprenden, por lo tanto, tubuladura; para ello se puede, según la invención:

- introducir una parte del comburente en la raíz de la llama secundaria; éste dispositivo tiene como ventaja, además del aumento de la estabilidad de la llama durante el funcionamiento con gas de turbina, permitir una reducción del óxido de nitrógeno NO contenido en éste gas, por efecto denominado de requemado "reburning" (el NO se transforma, efectivamente, en N_{2} por reducción química procedente de los radicales CH^{+} presentes en la raíz de la llama);

- agregar al menos un obstáculo dispuesto frente a al menos un chorro de gas, eyectado por uno de éstos orificios no prolongados por una tubuladura, lo que favorece su rotura y ensancha la llama piloto, denominada también primaria, para concederle una mayor eficacia.

Pueden darse diferentes formas a éste obstáculo tales como, preferentemente, cilíndrica, pero igualmente pueden ser utilizadas otras formas con un efecto similar.

Las otras características de los quemadores o rampas, descritas en la patente precitada EP 313 469 pueden combinarse igualmente con las que se han descrito anteriormente y con las que se describirán a continuación en la presente invención para obtener un quemador que asegure, igualmente, un grado de aireación prácticamente constante de la mezcla de aire y combustible independientemente de las variaciones del caudal del combustible y/o de la velocidad del gas a ser recalentado. Tales características adicionales están descritas a continuación y se han representado en algunas figuras.

El resultado consiste en nuevos quemadores de gas para el calentamiento de un gas que circula a través de un circuito y que comprende perfeccionamientos en los quemadores conocidos actuales puesto que responde al problema planteado que consiste en respetar los valores reglamentarios de la emisión de los óxidos de nitrógeno NOx y de los óxidos de carbono CO al mismo tiempo que se asegura una buena estabilidad de la llama y un grado de aireación prácticamente constante de la mezcla de aire y combustible independientemente de las variaciones del caudal de combustible y/o de la velocidad del gas a ser recalentado.

Tales resultados muestran la novedad y el interés de la presente invención sin que sea necesario citar otras ventajas. La descripción y los dibujos adjuntos representan ejemplos de realización de la invención que no tienen ningún carácter limitativo: otras realizaciones son posibles en el ámbito del alcance y de la extensión de ésta invención, en particular si se cambia la forma del tubo de alimentación del combustible así como la del deflector estabilizador así como número de orificios o de orificios de eyección del combustible, que pueden estar comprendidos, por ejemplo, entre 2 y 10.

- la figura 1 es una vista en sección de un ejemplo de realización de un quemador según la invención, perpendicularmente al eje de su tubo de alimentación con gas combustible;

- la figura 2 es una vista en sección según II-II' de la figura 3 de otro ejemplo de realización de un quemador según la invención;

- la figura 3 es una vista frontal, por la cara del flujo del gas a ser calentado, del quemador representado en la figura 2;

- la figura 4 es una vista en sección según IV-IV' de la figura 3 de un ejemplo de realización de un quemador según la invención;

- la figura 5 es una vista en sección según II-II' de la figura 3 de otro ejemplo de realización, diferente del de las figuras 1 y 2, de un quemador según la invención.

La invención se refiere a un tipo de quemador destinado a ser colocado en un conducto para calentar un gas que circula a través de éste conducto y que comprende un tubo 1 de eje XX', apto para colocarse transversalmente con relación a la dirección A de circulación de dicho gas; dicho tubo puede ser de sección circular, de diámetro D, tal como se ha representado en la figura 2, pero igualmente puede ser de cualquier otra sección tal como por ejemplo la de la figura 1, y puede portar diferentes bloques quemadores dispuestos adyacentemente para constituir una rampa.

Éste tubo 1 está alimentado con gas combustible 10 y está horadado con al menos dos orificios 3 por bloque quemador, alineados sobre una misma generatriz 18 paralela por lo tanto al eje XX' del tubo; un estabilizador de llama 2, formado por dos aletas 12 divergentes, que forman deflectores a uno y a otro lado de la citada generatriz 18, está fijado sobre dicho tubo 1.

Según los modos de representación de las figuras 2 a 5, dicho estabilizador deflector 2 puede comprender paredes 13_{1}, 13_{2} que forman nervaduras de refuerzo en las extremidades, según la dirección del eje XX', de las aletas 12 de cada bloque quemador, así como nervaduras 14_{1}, 14_{2} intermedias, cuando el bloque quemador comprenda varios orificios 3 y necesite, por lo tanto, un refuerzo intermedio de las aletas 2; éstas pueden comprender una fractura 22, hacia los bordes exteriores 17 aguas bajo con relación a la dirección A de circulación de los gases comburentes, para rigidificarlos y mejorar el aerodinamismo del bloque quemador.

Según la invención, al menos uno de dichos orificios 3 está prolongado por una tubuladura 11, que se extiende más allá de los bordes exteriores 17 de las aletas 12, y horadado con al menos un orificio 9 de eyección del gas 10 combustible en su extremidad distal.

De éste modo, como se ha representado en la figura 1, al menos un orificio denominado clásico 3, que no comprende tubuladura, permite obtener una llama denominada piloto o primaria 19 que asegura el encendido y la estabilidad de al menos una llama principal, denominada secundaria 20, que procede de la inyección escalonada.

Como se puede conservar la estabilidad de éste llama secundaria 20 simplemente con el 10% del gas combustible en los orificios primarios 3, merced a dispositivos tales como los que se han descrito anteriormente, el sistema de premezcla por el sistema Venturi, que utiliza una tobera convergente divergente 8 tal como se ha representado en la figura 2 y descrita en la solicitud de patente EP 313 469, no es indispensable para el buen funcionamiento del quemador: la presente invención se aplica, por lo tanto, a cualquier tipo de quemador "en vena", que comprenda un estabilizador deflector, pero que incluya, o no, dicho dispositivo Venturi.

Preferentemente, la extremidad distal de la tubuladura 11 comprende varios orificios 9 de eyección divergentes, cuyos ejes de eyección están inclinados con un ángulo \beta con relación al plano AA', definido por la generatriz 18 de alineación de los orificios 3 y el eje XX' del tubo 1, y un ángulo \alpha con relación al plano BB' perpendicular al precedente y que pasa por el orificio 3 prolongado por dicha tubuladura 11.

El número de orificios, su ángulo de eyección \alpha y \beta y su diámetro de paso son función de la velocidad del comburente y de las dimensiones del conducto en el que se dispone el quemador, (y por lo tanto de la distancia entre las rampas que lo componen), con el fin de poder adaptar y optimizar la penetración de los chorros de combustible en la vena del comburente. Para ello dicha extremidad distal 25 de la tubuladura 11 puede ser intercambiable y estar fijada mediante un sistema de fileteado o de otro tipo.

En el caso de cuatro orificios 9 de eyección, por ejemplo, sus ejes pueden estar inclinados dos a dos, un ángulo \beta de 20 a 50º a uno y a otro lado del plano AA' y con un ángulo \alpha de 10 a 30º, a uno y a otro lado del plano BB'.

Para obtener la estabilidad de la llama principal, denominada secundaria 20, únicamente con el 10% del gas combustible en los orificios primarios 3 y evitar la formación de CO durante el funcionamiento con gas de turbina, el quemador según la invención comprende:

- eventualmente un obstáculo 15 dispuesto frente a uno de dichos orificios 3 no prolongado por la tubuladura 11 con el fin de favorecer la rotura de los chorros de eyección de gas combustible y ensanchar, de éste modo, la llama principal para conferirle una mayor eficacia;

- aberturas 21 más allá de los bordes externos 17 de las aletas tales como los que se han definido precedentemente, y prolongados por alerones o deflectores complementarios 24, y realizadas en éstos alerones citados 24 a un nivel intermedio con relación a la extremidad 23 aguas abajo de aquellos con relación a la dirección A de circulación de los gases comburentes; permitiendo éstas aberturas 21 el pasaje de una parte de éste gas comburente que se introduce, entonces, en la raíz de la llama secundaria 20, asegurando una alimentación más progresiva de ésta, y permite una reducción del NO contenido en éste gas comburente.

Según el modo de realización de la figura 5, un bloque quemador, tal como el que se ha representado en la figura 2, puede modificarse fácilmente por adición de piezas complementarias que corresponden a éstos alerones 24 y dispuestas más allá de la rotura 22 de las aletas 12 que corresponden a los bordes 17: la posición y las dimensiones de éstos alerones 24 tiene un efecto importante sobre los resultados. Es interesante tener la posibilidad de cambiarlos en caso necesario merced a su realización como piezas postizas.

Tal como se ha representado en las figuras 2 a 4, el obstáculo 15, eventualmente dispuesto frente a uno de dichos orificios 3, no prolongado por la tubuladura 11, puede ser portado por un collar o corona de fijación 16, sobre la tubuladura 11, en lo que se refiere a los agujeros o a los orificios 3 de eyección colocados a uno y a otro lado de éste. Dicho obstáculo 15 es, por ejemplo, cilíndrico y su eje es perpendicular al del orificio 3 frente al cuál está
dispuesto.

En un tipo de bloque quemador dado, éste puede comprender al menos tres orificios 3, uno de los cuáles, 3' está asociado con la tubuladura 11, el obstáculo 15 con otro orificio 3' adyacente a aquél que está asociado con la tubuladura 11 y estando libre el último orificio.

De hecho, un bloque quemador puede tener cualquier número de orificios, comprendido por ejemplo entre dos y diez y la tubuladura 11 puede estar dispuesta de forma regular, por ejemplo en uno de cada dos orificios, en uno de cada tres o en uno de cada cuatro, etc...

En el modo de realización representado en la figura 4, a título de ejemplo, el bloque quemador según la invención comprende cinco orificios 3 en los que la tubuladura 11 está asociada con el orificio central, estando asociados los dos orificios adyacentes a éste, con un obstáculo 15 y estando libres los dos orificios extremos.

Tales quemadores, según la invención, pueden comprender, igualmente, elementos característicos de los quemadores, tales como los que se han descrito en la patente EP 313 469, y tales que, en particular, al menos delante de un orificio 3_{2}, no prolongado por una tubuladura 11, y coaxialmente a éste, una tobera convergente divergente 8, apta para que el chorro de gas eyectado por dicho orificio 3_{2} provoque una depresión en la entrada de la tobera 8, tal como se ha representado en la figura 4. Dicha entrada comunica con la cara exterior o extrados de al menos una de las aletas 12 del estabilizador 2 al menos por medio de una abertura 7.

El espacio entre las toberas 8 y el tubo 1 está cerrado por medio de dos elementos de pared 4 fijados sobre el tubo y dispuestos casi paralelamente al plano definido por la generatriz 18 de alineación de los orificios 3 y el eje XX' del tubo 1 y por una pared frontal 5 conectada con dichos elementos de pared 4 y que porta las toberas; las aberturas 7 están horadadas en dichos elementos de pared 4.

A título de ejemplos de realización se pueden dar algunas indicaciones de dimensiones de un bloque quemador según la invención, en el que la longitud L_{11} de la tubuladura 11, más allá del orificio 3 con el que está asociada, es del orden de 100 a 200 mm con una longitud L más allá de la salida las toberas 8, de 40 a 150 mm aproximadamente y, preferentemente, entre 50 y 80 mm para un diámetro de d_{11} de 12 a 20 mm. El obstáculo 15 puede ser un tubo cilíndrico de diámetro d_{15} de 10 mm aproximadamente y dispuesta a una distancia a del orden de 25 mm desde la salida de las toberas 8; la longitud L_{15} de tales obstáculos fijados sobre la tubuladura 11, puede ser del orden de 85 a 90 mm, según la distancia que separe a los dos agujeros u orificios 3 adyacentes; el diámetro D_{1} del tubo de alimentación con combustible es del orden de 85 a 90 mm.

Claims (12)

1. Quemador destinado a ser colocado en un conducto para calentar un gas que circula a través de éste conducto y que comprende un tubo (1) de eje XX', apto para ser colocado transversalmente con relación a la dirección A de circulación de dicho gas, alimentado con gas combustible (10) y horadado con al menos dos orificios (3), alineados sobre una misma generatriz (18) y un estabilizador de llama (2), formado por dos aletas (12) divergentes, que forman deflector a uno y otro lado de dicha generatriz (18), caracterizado porque al menos uno de dichos orificios (3) está prolongado por una tubuladura (11), que se extiende más allá de los bordes exteriores (17) de las aletas (12) y que está horadado con al menos un orificio (9) de eyección del gas (10) combustible en su extremidad distal.

2. Quemador según la reivindicación 1, caracterizado porque la extremidad distal (25) de la tubuladura (11) puede ser intercambiable.

3. Quemador según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la extremidad distal de la tubuladura (11) comprende varios orificios (9) de eyección, divergentes.

4. Quemador según la reivindicación 3, caracterizado porque la extremidad distal (25) comprende, al menos, cuatro orificios (9) de eyección, cuyos ejes están inclinados con un ángulo \beta de 20 a 50º a uno y otro lado del plano definido por la generatriz (18) de la alineación de los orificios (3) y el eje XX' del tubo (1), y con un ángulo \alpha de 10 a 30º a uno y otro lado del plano perpendicular al precedente y que pasa por el orificio (3) prolongado por dicha tubuladura (11).

5. Quemador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende, al menos, un obstáculo (15) dispuesto frente a uno de los orificios (3) no prolongados por la tubuladura (11).

6. Quemador según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho obstáculo (15) está portado por la tubuladura (11).

7. Quemador según una cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado porque dicho obstáculo (15) es cilíndrico y su eje es perpendicular al del orificio (3), frente al cuál está dispuesto.

8. Quemador según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7 y que comprende al menos tres orificios (3), caracterizado porque la tubuladura (11) está asociada con uno de los orificios (3_{1}) y el obstáculo (15) con un orificio (3_{2}) adyacente al que está asociado con la tubuladura (11), estando libre el último orificio.

9. Quemador según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, y que comprende cinco orificios (3), caracterizado porque la tubuladura (11) está asociada con el orificio central, las dos tubuladuras adyacentes a éste, están asociadas con un obstáculo (15) y los dos orificios extremos están libres.

10. Quemador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende alerones complementarios (24) que prolongan los bordes exteriores (17) de las aletas y aberturas (21) realizadas en éstos alerones (24) y aptos para dejar pasar una parte del gas que circula a través del conducto e introducirla hacia la raíz de la llama de dicho quemador.

11. Quemador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende, al menos delante de un orificio (3_{2}), no prolongado por una tubuladura (11), y coaxialmente a ésta, una tobera convergente-divergente (8) apta para que el chorro de gas eyectado por dicho orificio (3_{2}) genere una depresión a la entrada de la tobera (8), comunicando dicha entrada con la cara exterior de al menos una de las aletas (12) el estabilizador (2) al menos a través de una abertura (7).

12. Quemador según la reivindicación 11, caracterizado porque el espacio entre las toberas (8) y el tubo (1) está cerrado por dos elementos de pared (4), fijados sobre el tubo y dispuestos casi paralelamente al plano definido por la generatriz (18) de alineación de los orificios (3) y el eje XX' del tubo (1), y por una pared frontal (5) unida con dichos elementos de pared (4) y que portan las toberas (8), y porque las aberturas (7) están horadadas en dichos elementos de pared (4).