ES2222965T3 - Metodos de dilucion de combustible y aparato para reducir los oxidos de nitrogeno (nox). - Google Patents
Metodos de dilucion de combustible y aparato para reducir los oxidos de nitrogeno (nox).Info
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Abstract
Un método para reducir el contenido de óxidos de nitrógeno en gases de combustión producidos por la combustión de una mezcla al menos sustancialmente estequiométrica de gas combustible y aire de combustión introducida dentro de un quemador conectado a un horno, que comprende el paso de: (a) conducir dicho aire de combustión a dicho quemador; caracterizado porque además comprende los pasos de: (b) proporcionar una primera cámara mezcladora (11) fuera de dicho quemador y dicho horno para mezclar gases de combustión procedentes de dicho horno y un gas motivador de flujo con dicho gas combustible, incluyendo dicha cámara mezcladora una boquilla (13) formadora de chorro de gas combustible, al menos un deflector (37) formador de chorro de gas motivador de flujo y un compartimiento (39) de venturi y mezclador; (c) descargar dicho gas combustible en forma de chorro (25) de gas combustible dentro de dicha primera cámara mezcladora (11) por medio de dicha boquilla (13) formadora de chorro de gas combustible de modo que gases de combustión procedentes de dicho horno sean aspirados hacia dicha cámara mezcladora y se mezclen con dicho gas combustible en dicho compartimiento (39) de venturi y mezclador y lo diluyan; (d) descargar un gas motivador de flujo en forma de al menos un chorro de gas motivador de flujo dentro de dicha cámara mezcladora (11) por medio de dicho deflector (37) formador de chorro de gas motivador de flujo de modo que gases de combustión adicionales procedentes de dicho horno y gas combustible adicional, si es necesario, sean aspirados hacia dicha cámara mezcladora y se mezclan uno con otro y con dicho gas motivador de flujo en dicho compartimiento (39) de venturi y mezclador; y (e) conducir la mezcla de gases de combustión, gas motivador de flujo y gas combustible formada en los pasos (c) y (d) hacia dicho quemador, en donde dicha mezcla se combina con dicho aire de combustión y se quema con él y en dicho horno.
Description
Métodos de dilución de combustible y aparato para
reducir los óxidos de nitrógeno (NO_{x}).
La presente invención se refiere a métodos y
aparatos de dilución de combustible para reducir la producción de
óxidos de nitrógeno durante la combustión de gas combustible y aire
de combustión.
Los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) son producidos
durante la combustión de mezclas de combustible-aire
a altas temperaturas. Tiene lugar una reacción inicial relativamente
rápida entre el nitrógeno y el oxígeno predominantemente en la zona
de combustión para producir óxido nítrico según la reacción N_{2}
+ O_{2} \rightarrow 2NO. El óxido nítrico (también denominado
"NO_{x} expedito") es oxidado adicionalmente fuera de la zona
de combustión para producir óxido nitroso según la reacción 2NO +
O_{2} \rightarrow 2NO_{2}.
Las emisiones de óxido de nitrógeno están
asociadas a una serie de problemas medioambientales que incluyen
formación de niebla espesa de humo, lluvia ácida y similares. Como
resultado de la adopción de normas de emisión medioambientales
estrictas por las autoridades y agencias gubernamentales, se han
desarrollado y usado hasta ahora métodos y aparatos para suprimir la
formación de óxidos de nitrógeno en gases de combustión producidos
por la combustión de mezclas de combustible-aire.
Por ejemplo, se han propuesto métodos y aparatos en los que el
combustible es quemado en menos de una concentración estoicométrica
de oxígeno para producir intencionadamente un ambiente reductor de
CO y H_{2}. Este concepto se ha usado en aparatos quemadores de
aire escalonados en los que el combustible es quemado sin aire en
una primera zona produciendo un ambiente reductor que suprime la
formación de NO_{x}, y luego la parte restante de aire es
introducida en una segunda zona.
Se han desarrollado otros métodos y aparatos en
los que los gases de combustión son combinados con combustible o
mezclas de combustible-aire en estructuras
quemadoras para diluir así las mezclas y rebajar sus temperaturas de
combustión y la formación de NO_{x}. En otro enfoque, se han hecho
recircular y se han mezclado gases de combustión con el aire de
combustión suministrado al quemador aguas arriba del mismo.
El documento US-4.995.807
describe un sistema de recirculación en el que los gases de
combustión y el gas combustible son introducidos en la zona de
combustión de un quemador de gas combustible-aire
fijado a una caldera; los gases de combustión recirculados desde la
caldera son bombeados dentro de la zona de combustión, a través de
una tubería mezcladora en la cual se mezclan con el gas combustible,
mediante un soplante.
Aunque las técnicas antes descritas para reducir
emisiones de NO_{x} con gas de combustión han sido efectivas en la
reducción de la formación de NO_{x} y del contenido de NO_{x}
del gas de combustión, existen ciertas desventajas e inconvenientes
asociados con las mismas. Por ejemplo, en la conversión de los
hornos existentes (incluyendo calderas) para la recirculación de gas
se requiere a menudo la modificación o reemplazo del quemador o
quemadores existentes y/o de los soplantes de aire de combustión y
aparatos relacionados existentes. Las modificaciones dan como
resultado a menudo una expansión incrementada de la llama y otros
cambios de la zona de combustión que requieren alteraciones internas
de los hornos en los que se instalan quemadores modificados. Los
cambios y modificaciones necesarios implican a menudo gastos de
capital sustanciales, y los hornos y quemadores modificados son a
menudo más difíciles y costosos de operar y mantener que aquéllos a
los que reemplazan.
Por tanto, existen necesidades continuadas de
métodos y aparatos mejorados para reducir la formación y emisiones
de NO_{x} dentro y desde los hornos existentes sin las
modificaciones y gastos sustanciales que hasta ahora han sido
necesarios.
La presente invención proporciona métodos y
aparatos que satisfacen las necesidades descritas anteriormente y
superan las deficiencias de la técnica anterior. Los métodos de la
presente invención para reducir el contenido de óxidos de nitrógeno
en los gases de combustión producidos por la combustión de una
mezcla al menos sustancialmente estoicométrica de gas combustible y
aire de combustión introducidos en un quemador conectado a un horno
están compuestos básicamente por los siguientes pasos. El aire de
combustión es conducido al quemador, y un cámara mezcladora está
dispuesta en el exterior del quemador y del horno para mezclar gases
de combustión procedentes del horno y un gas motivador de flujo con
el gas combustible. El gas combustible es descargado con la forma de
un chorro de combustible dentro de la cámara mezcladora de modo que
los gases de combustión procedentes del horno son aspirados dentro
de la cámara y mezclados y diluidos en ella con el gas combustible,
diluyéndolo. Un gas motivador de flujo tal como vapor es también
descargado con la forma de al menos un chorro dentro de la cámara
mezcladora de modo que gases de combustible adicionales procedentes
del horno y gas combustible adicional, si es necesario, son
aspirados dentro de la cámara mezcladora y mezclados uno con otro y
con el gas motivador de flujo. La mezcla de gases de combustión, gas
motivador de flujo y gas combustible formada en la cámara mezcladora
es conducida al quemador, en donde la mezcla es combinada con el
aire de combustión y quemada en el horno.
El aparato de esta invención puede integrarse
dentro de un sistema quemador-horno existente sin
modificar o reemplazar sustancialmente quemadores existentes,
soplantes de aire existentes y similares y reduce el contenido de
óxidos de nitrógeno en los gases de combustión producidos por la
combustión de gas combustible y aire de combustión en el horno. Como
mucho, los quemadores pueden necesitar modificaciones menores para
acomodar la masa aumentada y la presión reducida de la mezcla de
gases de combustión, gas motivador de flujo y gas combustible, por
ejemplo el reemplazo de las puntas del quemador.
El aparato está compuesto básicamente de una
cámara mezcladora que está separada del quemador y del horno para
mezclar gases de combustión procedentes del horno y un gas motivador
de flujo con el gas combustible antes del momento en el que el gas
es conducido al quemador. La cámara mezcladora incluye una entrada
de gas combustible para conexión a un conducto de gas combustible y
para formar un chorro de combustible dentro de la cámara mezcladora,
una entrada de gases de combustión posicionada de modo que los gases
de combustión son aspirados dentro de la cámara por el chorro de
combustible, una entrada de gas motivador de flujo para formar un
chorro dentro de dicha primera cámara de modo que gases de
combustión adicionales y gas combustible adicional, si es necesario,
son aspirados dentro de la cámara mezcladora y una salida de mezcla
de gases de combustión, gas motivador de flujo y gas combustible. Un
conducto de gases de combustión para conexión al horno está
conectado a la entrada de gases de combustión de la cámara. Un
conducto de gas motivador de flujo para conexión a una fuente del
gas motivador de flujo está conectado a la entrada de gas motivador
de flujo de la cámara mezcladora, y un conducto de mezcla de gases
de combustión, gas motivador de flujo y gas combustible para
conexión al quemador está conectado a salida de la cámara para la
mezcla de gases de combustión, gas motivador de flujo y gas
combustible.
Por tanto, es un objeto general de la presente
invención proporcionar métodos y aparatos de dilución de combustible
para la reducción de NO_{x}.
Otros objetos, características y ventajas
adicionales de la invención serán fácilmente evidentes para los
versados en la técnica tras una lectura de la descripción de
realizaciones preferidas que sigue.
La invención se describirá ahora a modo de
ejemplo no limitativo con referencia a los dibujos anexos, en los
que:
La figura 1 es una vista en alzado lateral de un
cámara mezcladora de gases de combustión y gas combustible de la
presente invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal
de la cámara mezcladora de la figura 1.
La figura 3 es una ilustración esquemática del
aparato de la presente invención conectado a un quemador y horno
convencionales.
La figura 4 es una ilustración esquemática del
aparato de la presente invención que es el mismo que el de la figura
3 excepto en que está incluida una cámara mezcladora para mezclar un
gas motivador de flujo con los gases de combustión procedentes del
horno, conectada al conducto de gases de combustión.
La figura 5 es una ilustración esquemática del
aparato de la presente invención que es el mismo que el de la figura
3 excepto en que un segundo conducto de gases de combustión está
conectado entre el horno y el soplante de aire.
La figura 6 es una ilustración esquemática del
aparato de la presente invención que el mismo que el de la figura 3
excepto en que incluye tanto una cámara de mezclado para mezclar un
gas motivador de flujo con los gases de combustión procedentes del
horno, conectada al conducto de gases de combustión, como un segundo
conducto de gases de combustión conectado entre el horno y el
soplante de aire.
La figura 7 es una vista en sección transversal
lateral agrandada de la cámara mezcladora para mezclar gas motivador
de flujo con los gases de combustión procedentes del horno mostrado
en las figuras 4 y 6.
La figura 8 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 8-8 de la figura
7.
La figura 9 es una vista en sección transversal
lateral agrandada de la cámara mezcladora para mezclar gases de
combustión procedentes del horno y el gas motivador de flujo con el
gas combustible mostrado en las figuras 3 a 6.
La presente invención proporciona métodos y
aparatos para reducir el contenido de óxidos de nitrógeno en los
gases de combustión producidos por la combustión de gas combustible
y aire de combustión introducidos en un quemador conectado a un
horno. El aparato de esta invención puede añadirse a un horno que
tenga uno o más quemadores conectados al mismo o a una serie de
tales hornos sin reemplazar ventiladores o soplantes de aire de
combustión existentes y sin modificar o reemplazar sustancialmente
los quemadores existentes. El aparato es sencillo y puede instalarse
fácilmente, lo cual reduce el tiempo de parada del horno y los
costes de instalación. Más importante, los métodos y aparatos de
esta invención son más efectivos para reducir la producción de
NO_{x} que los métodos y aparatos anteriores y tienen un
funcionamiento más eficiente.
Los métodos y aparatos utilizan gases de
combustión recirculados que se mezclan y se combinan enteramente con
el gas combustible, diluyendo así el gas combustible bastante antes
de que sea introducido dentro de uno o más quemadores conectados a
un horno. El gas combustible diluido con gases de combustión es
mezclado con aire de combustión en el quemador y quemado en su
interior y en el horno a una temperatura inferior de llama y se
logra una combustión más uniforme. Estos dos factores contribuyen a
reducir la formación de NO_{x} expedito, lo cual no se logra
generalmente en el mismo grado por la técnica anterior.
Haciendo referencia ahora a los dibujos, y
particularmente a las figuras 1 y 2, un aparato de cámara mezcladora
de la presente invención está ilustrado y designado con el número
10. La cámara mezcladora 10 incluye un compartimiento receptor 12 de
gas que tiene una conexión 14 de entrada de gas combustible para
conexión a un conducto de gas combustible 16 y una conexión 18 de
entrada de gases de combustión para conexión a un conducto de gases
de combustión 20. La cámara mezcladora también incluye un tubo
venturi 22 fijado selladamente a una abertura 24 del compartimiento
receptor 12 de gas opuesta a la conexión 14 de entrada de gas
combustible. Según se muestra en la figura 2, la conexión 14 de
entrada de gas combustible incluye una parte de boquilla que se
extiende dentro del compartimiento receptor 12 de gas de modo que se
forme en éste un chorro 25 de combustible que se extiende dentro y a
través de la sección venturi 26 del tubo venturi 22. Según es bien
sabido por los versados en la técnica, el flujo del chorro 25 de
combustible a través de la sección venturi 26 crea una caída de
presión en el compartimiento receptor 12 de gas que hace que los
gases de combustión sean aspirados a través del conducto de gases de
combustión 20 hacia la cámara receptora 12 de gas, a través de la
sección venturi 26 del tubo venturi 22 y hacia la sección mezcladora
aguas abajo 28 del mismo. Los gases de combustión extraídos hacia la
cámara mezcladora 10 son mezclados en su interior a fondo con el gas
combustible y son descargados desde la cámara mezcladora 10 por
medio de una conexión de salida 30 de mezcla de gases de
combustión-gas combustible a la cual está conectado
un conducto 32 de mezcla de gases de combustión-gas
combustible.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, una
realización alternativa de cámara mezcladora para mezclar gases de
combustión y un gas motivador de flujo con el gas combustible está
mostrada y designada en general con el número 11. La cámara
mezcladora 11 está ilustrada esquemáticamente en forma conectada
operativamente a un horno 34 que tiene un quemador 36 conectado al
mismo. Según se muestra en la figura 3, la cámara mezcladora 11 está
conectada a un conducto 15 de entrada de gas combustible, cuyo otro
extremo está conectado a una fuente de gas combustible presurizado;
a un conducto de gases de combustión 19, cuyo otro extremo está
conectado al horno 34 (más particularmente a la chimenea 38 de gases
de combustión del mismo); a un conducto 31 de entrada de gas
motivador de flujo, cuyo otro extremo está conectado a una fuente de
gas motivador de flujo; y a un conducto 33 de mezcla de gases de
combustión, gas motivador de flujo y gas combustible, cuyo otro
extremo está conectado a la conexión de entrada de gas combustible
del quemador 36. Una válvula de control de flujo 40 está dispuesta
en el conducto 19 de gases de combustión para controlar la relación
de volumen de gases de combustión mezclados con gas combustible en
la cámara mezcladora 11, y una válvula de control de flujo 41 está
dispuesta en el conducto 31 de entrada de gas motivador de flujo
para controlar la relación de volumen de gas motivador de flujo
mezclado con el gas combustible en la cámara mezcladora 11. Una
fuente de aire de combustión, por ejemplo un soplante de aire de
combustión 42, está conectada a un conducto 44 de aire de
combustión, cuyo otro extremo está conectado al quemador 36. El gas
motivador de flujo es preferiblemente vapor, pero se pueden usar
otros gases en lugar del vapor tal como aire, nitrógeno, dióxido de
carbono y similares.
Haciendo referencia ahora a la figura 9, la
cámara mezcladora 11 está ilustrada en detalle. La cámara mezcladora
11 incluye un compartimiento receptor 21 de gas que tiene una
conexión 9 de entrada de gas combustible conectada al conducto 15 de
entrada de gas combustible, una conexión 17 de entrada de gases de
combustión conectada al conducto 19 de entrada de gases de
combustión y una conexión 23 de entrada de gas motivador de flujo
conectada al conducto 31 de entrada de gas motivador de flujo. La
cámara mezcladora 11 está dividida en dos compartimientos 21 y 27
por una pared 29. La pared 29 incluye una abertura central 35
formada en ella y la conexión 9 de entrada de gas combustible
incluye una parte 13 de boquilla que se extiende a través del
compartimiento 21 y dentro de la abertura 35 de modo que se forme un
chorro 25 de combustible (mostrado por flechas) en el extremo de la
parte 13 de boquilla. El compartimiento 21 recibe gases de
combustión conducidos hacia el mismo por el conducto 19 de gases de
combustión y el compartimiento 27 recibe el fluido motivador de
flujo conducido hacia el mismo por el conducto 31. Un deflector
anular 37 está fijado selladamente a la pared 29 sobre la abertura
35, que se extiende dentro del compartimiento 27. Un tubo venturi 39
está fijado selladamente a través de una abertura 45 del
compartimiento 27 de modo que el chorro 25 de gas formado por la
parte 13 de boquilla de la conexión 9 de entrada de gas combustible
se extiende dentro y a través de la sección venturi 60 del tubo
venturi 39. El extremo abierto 47 de entrada del tubo venturi 39 se
extiende por la superficie exterior del deflector anular 37 de modo
que el gas motivador de flujo del compartimiento 27 fluye a través
de un espacio anular estrecho entre el deflector 37 y la superficie
47 del tubo venturi 39 y se transforma en un chorro anular dentro
del tubo venturi.
Durante el funcionamiento de la cámara mezcladora
11, el flujo del chorro 25 de combustible a través de la sección
venturi 60 del tubo venturi 39 crea una caída de presión en el
compartimiento 21 receptor de gases de combustión que hace que los
gases de combustión sean aspirados a través del conducto 19 de gases
de combustión hacia el compartimiento 21 de gases de combustión, a
través de la sección venturi 60 del tubo venturi 39 y hacia dentro
del compartimiento mezclador 43 del mismo, en donde los gases de
combustión y el gas combustible se mezclan a fondo. Simultáneamente,
el flujo del chorro anular de gas motivador de flujo formado en el
tubo venturi 39 aumenta la caída de presión de los gases de
combustión en el compartimiento 21 y el flujo de los gases de
combustión hacia dentro del tubo venturi 39. Al mismo tiempo, si la
presión del gas combustible en el conducto 15 y en la parte 13 de
boquilla de la conexión 9 es baja, el chorro anular de gas motivador
de flujo produce una caída de presión en la parte 13 de boquilla de
gas combustible y en el conducto 15 de entrada de gas combustible y
hace que gas combustible adicional sea aspirado hacia el tubo
venturi 39. El gas motivador de flujo inyectado dentro del tubo
venturi 39 se mezcla con los gases de combustión y el gas
combustible en el compartimiento mezclador 43 del mismo y fluye
hacia el conducto 33, que conduce la mezcla al quemador 36 (figura
3). La introducción del gas motivador de flujo, por ejemplo vapor
presurizado, dentro de la cámara mezcladora 11 también aumenta la
presión de la mezcla de gas motivador de flujo, gases de combustión
y gas combustible conducida al quemador 36. La presión aumentada
tiene el efecto beneficioso de permitir que la mezcla de gas
motivador de flujo, gases de combustión y gas combustible, que tiene
una masa mayor que la del gas combustible solo, sea manipulada y
quemada por el quemador 36 sin necesidad de realizar modificaciones
al mismo.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 3, el
aire de combustión producido por el soplante 42 de aire de
combustión es conducido por el conducto 44 al quemador 36 y el gas
combustible es conducido por el conducto 15 al cámara mezcladora 11.
Las cantidades de gas combustible y aire de combustión son
controladas por válvulas de control de flujo y controles
convencionales o por otros aparatos similares (no mostrados) de modo
que al menos una mezcla sustancialmente estequiométrica de gas
combustible y aire de combustión es introducida en el quemador 36.
Según se describió anteriormente, el gas combustible forma un chorro
de combustible en la cámara mezcladora 11 de modo que los gases de
combustión procedentes del horno son aspirados hacia la cámara
mezcladora 11 y se mezclan en ella con el gas combustible y lo
diluyen. Simultáneamente, gas motivador de flujo conducido a la
cámara mezcladora 11 forma al menos un chorro, preferiblemente un
chorro anular según se describió anteriormente, de modo que gas
combustible adicional, si es necesario, y gases de combustión son
aspirados hacia la cámara mezcladora 11. Gas combustible adicional
es a menudo necesario en aplicaciones en las que únicamente está
disponible gas combustible de baja presión, por ejemplo calderas
pirotubulares que usan gas combustible de baja presión. Según se
mencionó, el vapor es el gas motivador de flujo preferido, pero si
no se dispone de vapor, puede usarse otro gas motivador de flujo que
esté disponible en vez de vapor, tal como aire, nitrógeno o dióxido
de carbono. La mezcla resultante de gases de combustión, gas
motivador de flujo y gas combustible formada en la cámara mezcladora
11 es conducida al quemador 36 por el conducto 33. El aire de
combustión conducido al quemador 36 por el conducto 44 y la mezcla
de gases de combustión, gas motivador de flujo y gas combustible
conducido al mismo por el conducto 33 son mezclados dentro del
quemador 36. La mezcla resultante es quemada en el quemador 36 y en
el horno 34 y se forman gases de combustión que se liberan a la
atmósfera por medio de la chimenea 38. Una parte de los gases de
combustión que fluyen a través de la chimenea 38 es extraída
continuamente de la misma por medio del conducto 19 conectado a la
misma y se la hace fluir hacia la cámara mezcladora 11 según se
describió anteriormente. Las válvulas 40 y 41 de control de flujo
son usadas para controlar las relaciones de volumen de los gases de
combustión y gas motivador de flujo mezclados con el gas combustible
en la cámara mezcladora 11 de modo que se logra la reducción máxima
de óxidos de nitrógeno en los gases de combustión producidos y
ventilados a la atmósfera por medio de la chimenea 38.
Haciendo referencia ahora a la figura 4, la
ilustración esquemática de la cámara mezcladora 11, el soplante 42
de aire de combustión, el quemador 36, el horno 34 y los conductos
de conexión se muestra utilizando los mismos números de referencia
que en la figura 3. Además, la figura 4 incluye una segunda cámara
mezcladora 45 dispuesta en el conducto 19 de gases de combustión en
un punto entre la válvula 40 de control de flujo y la cámara
mezcladora 11. Un conducto 46 de entrada de gas motivador de flujo
está fijado a la segunda cámara mezcladora 45. El conducto 46 de
entrada de gas motivador de flujo incluye una válvula 48 de control
de flujo dispuesta en su interior para controlar la relación de
volumen de gas motivador de flujo mezclado con los gases de
combustión en la segunda cámara mezcladora 45.
Haciendo ahora referencia a la figura 7, la
segunda cámara mezcladora 45 está ilustrada en detalle. La segunda
cámara mezcladora 45 incluye un paso 62 de gases de combustión que
se comunica con una conexión 64 de entrada de gases de combustión
fijada a un extremo de la cámara mezcladora 45 y con una conexión 66
de salida de gases de combustión fijada al otro extremo de la cámara
mezcladora 45. Un compartimiento 68 de gas motivador de flujo dentro
de la cámara mezcladora 45 rodea el paso 62 de gases de combustión y
está conectado a una conexión 70 de entrada de gas motivador de
flujo. Las conexiones de entrada y salida 64 y 66 de gases de
combustión están conectadas al conducto 19 de gases de combustión y
la conexión 70 de entrada de gas motivador de flujo está conectada
al conducto 46 de entrada de gas motivador de flujo.
El paso 62 de gases de combustión diverge hacia
la conexión de salida 66 de modo que una parte extrema anular 72 del
compartimiento 68 de gas motivador de flujo se extiende dentro de la
conexión 66 de salida de gases de combustión. Una serie de orificios
74, que comunican el compartimiento 68 de gas motivador de flujo con
el interior de la conexión 66 de salida de gases de combustión,
están separados alrededor de la parte extrema anular 72 del
compartimiento 68 que se extiende dentro de la conexión 66 de gases
de combustión. Los orificios 74 funcionan formando chorros de gas
motivador de flujo dentro de la conexión 66 de salida de gases de
combustión de modo que se aspiran gases de combustión a través del
paso 62 de gases de combustión y se mezclan con el gas motivador de
flujo dentro de la conexión 66 de salida de gases de combustión y
del conducto 19 conectado a la misma.
El funcionamiento del aparato ilustrado en la
figura 4 es idéntico al funcionamiento descrito anteriormente para
el aparato ilustrado en la figura 3 excepto en que gas motivador de
flujo adicional es mezclado con los gases de combustión en la
segunda cámara mezcladora 45 antes del momento en que los gases de
combustión son mezclados con el gas motivador de flujo y gas
combustible en la primera cámara mezcladora 11. El gas motivador de
flujo adicional es inyectado dentro de la segunda cámara mezcladora
45 con la forma de una serie de chorros que funcionan aspirando
gases de combustión adicionales hacia el conducto 19 de gases de
combustión. La mezcla de gas motivador de flujo - gases de
combustión formada en la segunda cámara mezcladora 45 es conducida a
la primera cámara mezcladora 11. La mezcla resultante de gas
motivador de flujo, gases de combustión y gas combustible formada en
la primera cámara mezcladora 11 es conducida al quemador 36 en donde
se mezcla con aire de combustión y la mezcla resultante es quemada
en el quemador 36 y el horno 34. La presencia del gas motivador de
flujo en la mezcla quemada diluye adicionalmente el combustible,
reduce la temperatura de la llama y reduce el contenido de óxidos de
nitrógeno en los gases de combustión descargados hacia la
atmósfera.
Haciendo referencia ahora a la figura 5, se
muestra aún otra realización de la invención. Es decir, se muestra
en la figura 5 una ilustración esquemática de la cámara mezcladora
11, el soplante 42 de aire de combustión, el quemador 36 y el horno
34 así como los conductos de conexión usando los mismos números de
referencia que en la figura 3. Además, un segundo conducto 50 de
gases de combustión está conectado a la chimenea 38 del horno 34 y a
una conexión de entrada en el soplante 42 de aire de combustión, con
lo que gases de combustión adicionales son aspirados desde la
chimenea 38, a través del conducto 50, hacia el soplante 42 de aire
de combustión, en donde se mezclan con aire de combustión. Una
válvula 52 de control de flujo está dispuesta en el conducto 50 para
controlar la relación de volumen de gases de combustión mezclados
con el aire de combustión.
El funcionamiento del aparato mostrado en la
figura 5 es el mismo que el descrito anteriormente con relación al
aparato ilustrado en la figura 3 excepto en que se introducen gases
de combustión adicionales dentro del quemador 36 mezclados con el
aire de combustión. La presencia de los gases de combustión
adicionales en el aire de combustión funciona enfriando
adicionalmente la temperatura de la llama en el horno 34 y
reduciendo el contenido de compuestos de óxido de nitrógeno en los
gases de combustión descargados hacia la atmósfera desde la chimenea
38.
Haciendo referencia ahora a la figura 6, se
ilustra aún otra realización de la presente invención. Se muestra en
la figura 6 una ilustración esquemática de la primera cámara
mezcladora 11, la segunda cámara mezcladora 45, el soplante 42 de
aire de combustión, el quemador 36 y el horno 34 así como los
conductos de conexión usando los mismos números de referencia que en
la figura 4. Además, el aparato ilustrado en la figura 6 incluye el
segundo conducto 50 de gases de combustión y la válvula 52 de
control de flujo dispuesta en su interior según se ilustra en la
figura 5.
El funcionamiento del aparato 6 es el mismo que
el funcionamiento descrito anteriormente para el aparato ilustrado
en la figura 4 excepto en que también se mezclan gases de combustión
con el aire de combustión. Es decir, los gases de combustión y el
gas motivador de flujo son mezclados con el gas combustible antes de
conducir la mezcla resultante al quemador 36, y los gases de
combustión son mezclados con el aire de combustión en el soplante 42
de aire de combustión, introduciéndose la mezcla resultante dentro
del quemador 36. Controlando los volúmenes de gases de combustión y
gas motivador de flujo mezclados con el gas combustible y el volumen
de gases de combustión mezclados con el aire de combustión, se
minimiza el contenido de óxidos de nitrógeno en los gases de
combustión descargados a la atmósfera.
Según se entenderá por los versados en la
técnica, la selección de uno de los sistemas de aparatos ilustrados
en las figuras 3-6 depende de una serie de factores
que incluyen, sin limitación, el tamaño del horno u hornos, el
número de quemadores usados con cada horno, la forma y composición
del combustible, la temperatura alcanzada en el interior del horno y
similares. Basándose en tales factores, se selecciona el sistema
particular de aparato requerido para producir el bajo contenido de
óxidos de nitrógeno en los gases de combustión descargados a la
atmósfera.
Los métodos de la presente invención para reducir
el contenido de óxidos de nitrógeno en los gases de combustión
producidos por la combustión de al menos una mezcla sustancialmente
estequiométrica de gas combustible y aire de combustión introducida
dentro de un quemador conectado a un horno comprenden básicamente
los siguientes pasos. Se conduce aire de combustión desde una fuente
del mismo hasta el quemador. Una primera cámara mezcladora está
dispuesta fuera del quemador y el horno para mezclar gases de
combustión procedentes del horno y un gas motivador de flujo con el
gas combustible. El gas combustible es descargado en forma de un
chorro de combustible dentro de la primera cámara mezcladora de modo
que gases de combustión procedentes del horno son aspirados hacia la
cámara y se mezclan en ella con el gas combustible y lo diluyen. El
gas motivador de flujo también es descargado dentro de la primera
cámara mezcladora con forma de al menos un chorro de modo que gases
de combustión adicionales procedentes del horno y gas combustible
adicional, si es necesario, son aspirados hacia la primera cámara
mezcladora y mezclados entre sí y con el gas motivador de flujo. La
mezcla de gases de combustión, gas motivador de flujo y gas
combustible formada en la primera cámara mezcladora es conducida
desde ésta al quemador en donde la mezcla es combinada con el aire
de combustión y luego quemada en el mismo y en el horno. El método
anterior también incluye preferiblemente el paso de controlar las
relaciones de volumen de los gases de combustión y gas motivador de
flujo mezclados con el gas combustible. Además, el método incluye
preferiblemente los pasos adicionales de proporcionar una segunda
cámara mezcladora fuera del quemador y del horno para mezclar gas
motivador de flujo adicional con los gases de combustión procedentes
del horno, y descargar el gas motivador de flujo en forma de al
menos un chorro dentro de la segunda cámara mezcladora de modo que
los gases de combustión procedentes del horno sean aspirados hacia
la segunda cámara mezcladora y se mezclen en ella con el gas
motivador de flujo. Asimismo, el método puede incluir los pasos
adicionales de controlar la relación de volumen del gas motivador de
flujo mezclado con los gases de combustión, mezclar los gases de
combustión procedentes del horno con el aire de combustión conducido
al quemador y controlar la relación de volumen de los gases de
combustión mezclados con el aire de combustión.
Se ha visto que los métodos y aparatos de esta
invención son significativamente más eficientes que los métodos y
aparatos de la técnica anterior. La recirculación de aproximadamente
un 5% del total de gases de combustión según la invención, como se
muestra en la figura 3, da como resultado un contenido inferior de
óxidos de nitrógeno en los gases de combustión producidos que en un
sistema en el que un 23% del total de los gases de combustión se
combina únicamente con aire de combustión. Los resultados de ensayo
han indicado que se puede obtener un contenido de óxidos de
nitrógeno en los gases de combustión de 20 partes por millón o menos
usando los métodos y aparatos de esta invención, sin inyección de
vapor y sin el uso concurrente de recirculación de gases de
combustión en el aire de combustión. Cuando se emplea la inyección
de vapor dentro de los gases de combustión según la presente
invención junto con la introducción de gases de combustión dentro
del aire de combustión, se puede lograr un contenido de óxido de
nitrógeno de los gases de combustión de 8 a 14 partes por
millón.
Con el fin de ilustrar adicionalmente los
resultados mejorados de la presente invención, se da el siguiente
ejemplo.
El aparato de la figura 5 fue probado para
determinar el contenido de óxidos de nitrógeno de los gases de
combustión a diversas relaciones de gases de combustión mezclados
con el gas combustible, diversas relaciones de gases de combustión
mezclados con el aire de combustión y una combinación de los dos
supuestos. El horno utilizado en el ensayo fue un generador de vapor
de 66.996,31 millones de Julios (J). Los resultados de estos ensayos
se dan en la siguiente Tabla.
A partir de la tabla puede verse que los métodos
y aparatos de la presente invención producen gases de combustión que
tienen un contenido reducido inesperado de óxidos de nitrógeno.
Por tanto, la presente invención está
perfectamente adaptada para realizar los objetos y alcanzar los
fines y ventajas mencionados, así como aquellos inherentes a la
misma. Aunque pueden realizarse numerosos cambios por los versados
en la técnica, tales cambios están comprendidos dentro de la
invención según se define por las reivindicaciones anexas.
Claims (23)
1. Un método para reducir el contenido de óxidos
de nitrógeno en gases de combustión producidos por la combustión de
una mezcla al menos sustancialmente estequiométrica de gas
combustible y aire de combustión introducida dentro de un quemador
conectado a un horno, que comprende el paso de:
(a) conducir dicho aire de combustión a dicho
quemador;
caracterizado porque además comprende los
pasos de:
(b) proporcionar una primera cámara mezcladora
(11) fuera de dicho quemador y dicho horno para mezclar gases de
combustión procedentes de dicho horno y un gas motivador de flujo
con dicho gas combustible, incluyendo dicha cámara mezcladora una
boquilla (13) formadora de chorro de gas combustible, al menos un
deflector (37) formador de chorro de gas motivador de flujo y un
compartimiento (39) de venturi y mezclador;
(c) descargar dicho gas combustible en forma de
chorro (25) de gas combustible dentro de dicha primera cámara
mezcladora (11) por medio de dicha boquilla (13) formadora de chorro
de gas combustible de modo que gases de combustión procedentes de
dicho horno sean aspirados hacia dicha cámara mezcladora y se
mezclen con dicho gas combustible en dicho compartimiento (39) de
venturi y mezclador y lo diluyan;
(d) descargar un gas motivador de flujo en forma
de al menos un chorro de gas motivador de flujo dentro de dicha
cámara mezcladora (11) por medio de dicho deflector (37) formador de
chorro de gas motivador de flujo de modo que gases de combustión
adicionales procedentes de dicho horno y gas combustible adicional,
si es necesario, sean aspirados hacia dicha cámara mezcladora y se
mezclan uno con otro y con dicho gas motivador de flujo en dicho
compartimiento (39) de venturi y mezclador; y
(e) conducir la mezcla de gases de combustión,
gas motivador de flujo y gas combustible formada en los pasos (c) y
(d) hacia dicho quemador, en donde dicha mezcla se combina con dicho
aire de combustión y se quema con él y en dicho horno.
2. El método según la reivindicación 1, en el que
dicho gas motivador de flujo es seleccionado de entre el grupo que
consta de vapor, aire, nitrógeno y dióxido de carbono.
3. El método según la reivindicación 1, en el que
dicho gas motivador de flujo es vapor.
4. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, que comprende además el paso de controlar
las relaciones en volumen de dichos gases de combustión y dicho gas
motivador de flujo mezclados dicho gas combustible en los pasos (c)
y (d).
5. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, que comprende además el paso de proporcionar
una segunda cámara mezcladora (45) fuera de dicho quemador y dicho
horno para mezclar gas motivador de flujo adicional con dichos gases
de combustión procedentes de dicho horno, y descargar dicho gas
motivador de flujo en forma de al menos un chorro dentro de dicha
segunda cámara mezcladora de modo que gases de combustión
procedentes de dicho horno sean aspirados hacia dicha segunda cámara
mezcladora y se mezclen con dicho gas motivador de flujo adicional
antes de mezclarse con dicho gas motivador de flujo y dicho gas
combustible según los pasos (c) y (d).
6. El método según la reivindicación 5, que
comprende además el paso de controlar la relación en volumen de
dicho gas motivador de flujo adicional mezclado con dichos gases de
combustión.
7. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, que comprende además el paso de mezclar
gases de combustión procedentes de dicho horno con aire de
combustión conducido a dicho quemador según el paso (a).
8. El método según la reivindicación 7, que
comprende además controlar la relación en volumen de dichos gases de
combustión mezclados con dicho aire de combustión.
9. Un método según la reivindicación 1 para
reducir el contenido de óxidos de nitrógeno en gases de combustión
producidos por la combustión de una mezcla al menos sustancialmente
estequiométrica de gas combustible y aire de combustión introducida
dentro de un quemador conectado a un horno, en el que dicho gas
motivador de flujo comprende vapor; y dicho método comprende además
el paso de controlar las relaciones en volumen de dichos gases de
combustión y dicho vapor mezclados con dicho gas combustible en los
pasos (c) y (d).
10. El método según la reivindicación 9, que
comprende además el paso de proporcionar una segunda cámara
mezcladora (45) fuera de dicho quemador y dicho horno para mezclar
vapor adicional con dichos gases de combustión procedentes de dicho
horno, y descargar dicho vapor en forma de al menos un chorro dentro
de dicha segunda cámara mezcladora de modo que gases de combustión
procedentes de dicho horno sean aspirados hacia dicha segunda cámara
mezcladora y se mezclen con dicho vapor adicional antes de mezclarse
con dicho vapor y dicho gas combustible según los pasos (c) y
(d).
11. El método según la reivindicación 10, que
comprende además el paso de controlar la relación en volumen de
dicho vapor adicional mezclado con dichos gases de combustión.
12. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, que comprende además el paso de mezclar
gases de combustión procedentes de dicho horno con aire de
combustión conducido a dicho quemador según el paso (a).
13. El método según la reivindicación 12, que
comprende además controlar la relación en volumen de dichos gases de
combustión mezclados con dicho aire de combustión.
14. Un aparato para reducir el contenido de
óxidos de nitrógeno en gases de combustión producidos por la
combustión de una mezcla al menos sustancialmente estequiométrica de
gas combustible y aire de combustión, conduciéndose dicho gas
combustible a un quemador conectado a un horno por un conducto de
gas combustible y conduciéndose el aire de combustión desde una
fuente de aire de combustión al quemador por el conducto de aire de
combustión, caracterizado porque el aparato comprende:
una primera cámara mezcladora (11) para mezclar
gases de combustión procedentes de dicho horno y un gas motivador de
flujo con dicho gas combustible que tiene una entrada (9) de gas
combustible para conexión a dicho conducto de gas combustible, una
boquilla (13) formador de chorro de gas combustible para formar un
chorro (25) de gas combustible dentro de dicha cámara mezcladora
(11), una entrada (17) de gases de combustión posicionada de modo
que gases de combustión sean aspirados hacia dicha cámara mezcladora
(11) por dicho chorro de gas combustible, una primera entrada (23)
de gas motivador de flujo, al menos un deflector (39) formador de
chorro de gas motivador de flujo para formar un chorro de gas
motivador de flujo dentro de dicha cámara mezcladora (11) de modo
que gases de combustión adicionales y gas combustible adicional, si
es necesario, sean aspirados hacia dicha cámara mezcladora, un
compartimiento (39) de venturi y mezclador en la misma para mezclar
dichos gases de combustión, dicho gas motivador de flujo y dicho gas
combustible, y una salida de mezcla de gases de combustión, gas
motivador de flujo y gas combustible;
un primer conducto (19) de gases de combustión
para conexión a dicho horno conectado a dicha entrada (17) de gases
de combustión de dicha primera cámara;
un primer conducto (31) de gas motivador de flujo
para conexión a una fuente de gas motivador de flujo conectada a
dicha entrada (23) de gas motivador de flujo de dicha cámara
mezcladora; y
un conducto (33) de mezcla de gases de
combustión, gas motivador de flujo y gas combustible para conexión a
dicho quemador conectado a dicha salida de mezcla de gases de
combustión, gas motivador de flujo y gas combustible de dicha
cámara.
15. El aparato según la reivindicación 14, que
además comprende medios (40, 41) para controlar las relaciones en
volumen de dichos gases de combustión y dicho gas motivador de flujo
mezclados con dicho gas combustible en dicha primera cámara
mezcladora (11), dispuestos en dicho primer conductor (19) de gases
de combustión y en dicho primer conducto (31) de gas motivador de
flujo.
16. El aparato según la reivindicación 15, en el
que dichos medios para controlar las relaciones en volumen de dichos
gases de combustión y dicho gas motivador de flujo respecto de dicho
gas combustible están compuestos por válvulas (40, 41) de control de
flujo.
17. El aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 14 a 16, que comprende además una segunda cámara
mezcladora (45) para mezclar gas motivador de flujo con dichos gases
de combustión procedentes de dicho horno, que tiene una entrada (70)
de gas motivador de flujo para conexión a una fuente de gas
motivador de flujo y para formar un chorro de gas motivador de flujo
dentro de dicha segunda cámara mezcladora, una entrada (64) de gases
de combustión conectada a dicho primer conducto (19) de gases de
combustión posicionada de modo que gases de combustión procedentes
de dicho horno sean aspirados hacia dicha segunda cámara mezcladora
(45) por dicho chorro, una salida (66) de gas motivador de flujo -
gases de combustión conectada a dicho primer conducto (19) de gases
de combustión y un conducto (46) de gas motivador de flujo para
conexión a una fuente de gas motivador de flujo conectada a dicha
entrada (70) de gas motivador de flujo de dicha segunda cámara
mezcladora.
18. El aparato según la reivindicación 17, que
comprende además medios (48) para controlar la relación en volumen
de dicho gas motivador de flujo mezclado con dichos gases de
combustión dispuestos en dicho conducto de gas motivador de
flujo.
19. El aparato según la reivindicación 18, en el
que dichos medios para controlar la relación en volumen de dicho gas
motivador de flujo mezclado con dichos gases de combustión
comprenden una válvula (48) de control de flujo.
20. El aparato según una cualquiera de las
reivindicaciones 14 a 19, en el que dicha fuente de aire de
combustión es un soplante (42) de aire de combustión.
21. El aparato según la reivindicación 20, que
comprende además un segundo conducto (50) de gases de combustión
para conexión a dicho horno y a dicho soplante (42) de aire de
combustión de modo que se mezclen gases de combustión con dicho aire
de combustión.
22. El aparato según la reivindicación 21 que
comprende además medios (52) para controlar la relación en volumen
de dichos gases de combustión mezclados con ducho aire de
combustión, dispuestos en dicho segundo conducto de gases de
combustión.
23. El aparato según la reivindicación 22, en el
que dichos medios para controlar la relación en volumen de dichos
gases de combustión mezclados con dicho aire de combustión
comprenden una válvula (52) de control de flujo.
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