ES2228813T3 - Horno de calentamiento por tubos. - Google Patents

Abstract

Sistema de calefacción, en especial instalación (1) para procesos térmicos, con una disposición (2) de pared, que limita al menos parcialmente una cámara (3) interior, que puede ser calentada, con tubos (4) calentadores para la conducción de uno o de varios fluidos, que deban ser calentados, dispuestos en la cámara (3) esencialmente paralelos entre sí, con quemadores (6), que, para el calentamiento de la cámara (3) interior, se disponen transversales con relación a los tubos (4) calentadores y orientados con su chorro de aire y combustible contra una parte (21) opuesta de la disposición (2) de pared, al mismo tiempo, que los tubos (4) están dispuestos en una fila (10), que posee al menos dos tramos (11, 12) de filas de tubos, que no están orientados paralelamente entre sí y que forman entre sí un ángulo, que se abre alejándose de los quemadores (6).

Description

Horno de calentamiento por tubos.

El invento se refiere a un sistema de calefacción, en especial una instalación para procesos térmicos en la que una corriente de producto es calentada indirectamente en tubos.

En las instalaciones para procesos térmicos se calientan indirectamente fluidos, con frecuencia sometidos a presión, al mismo tiempo, que la energía térmica es aprovechada para un calentamiento, una transformación de fases, como calor de reacción (reacción endotérmica) o para varios de estos efectos. Los fluidos se conducen en tubos calentadores, que se cargan en la mayoría de los casos hasta su límite térmico. En este procedimiento no se deben producir sobrecalentamientos locales.

A través del documento EP-A-0 079 980 se conoce una caldera para agua caliente, agua recalentada o vapor con hogar de gas o de gasóleo. La caldera está formada por una cámara de combustión construida con forma de tronco de cono. En su extremo más pequeño está dispuesto un quemador, que hace penetrar una llama axialmente en la cámara de combustión. La llama es rodeada por tubos dispuestos como anillos concéntricos con relación al eje central del quemador. Otro grupo de tubos anulares con un diámetro mayor está dispuesto concéntricamente con relación al primer grupo de tubos anulares, de manera, que visto en sección longitudinal se forma una disposición en zig-zag. Sin embargo, esta está orientada paralelamente al eje longitudinal del quemador.

En las figuras 7 y 8 se representan instalaciones 1 para procesos térmicos conocidas en la práctica. Las instalaciones 1 para procesos térmicos poseen siempre una cámara interior rodeada por ejemplo por una pared 2 de mampostería del horno en la que están dispuestos los tubos 4 calentadores. Para el calentamiento de estos se disponen quemadores 6 en orificios de la pared 2 del horno. Los tubos calentadores 4 están dispuestos en la forma de ejecución según la figura 7 en sentido vertical y uno junto al otro en filas, de manera, que entre las filas 7 de tubos se forman por pares un pasadizo 8. Los quemadores 6 imprimen al combustible y al aire un impulso se salida axial, que se propagan al pasadizo 8, al mismo tiempo, que el calor es transmitido a los tubos 4 calentadores, sobre todo, por la radiación de las llamas y del gas. La radiación procedente de la pared 2 del horno incide de manera irregular en los tubos 4 calentadores.

Se obtiene una transmisión de calor relativamente pequeña. Además, esta disposición no está preparada para la utilización de quemadores con oxidación sin llama, que generan zonas relativamente grandes de atmósfera reductora perjudicial para los tubos 4 calentadores.

En la instalación 1 para procesos térmicos de la figura 8 se disponen los tubos 4 calentadores en una fila aproximadamente en el centro de la cámara 3 interior. En orificios de la pared 2 del horno se prevén quemadores 6' rotativos, que imprimen al combustibles y al aire de combustión aportado un impulso de salida esencialmente radial. La llama y las zonas calientes de la pared 2 del horno generan una zona caliente, que transmite la mayor parte de la energía de la llama por radiación a los tubos 4 calentadores. Las zonas con una intensidad grande de radiación son pequeñas, por lo que es preciso instalar una cantidad grande de quemadores 6' giratorios.

Partiendo de aquí, el objetivo del invento es crear una disposición, que haga posible un calentamiento uniforme de los tubos evitando sobrecalentamientos de los tubos. Al mismo tiempo, se debe obtener una disposición lo más compacta posible.

Los quemadores generan en la pared opuesta, con la disposición según el invento de los quemadores y de los tubos calentadores, una zona grande de alta temperatura, que se halla en intercambio de radiación sin la formación de sombras con los tubos calentadores. La energía es transmitida de manera uniforme por radiación de cuerpos sólidos (pared - tubo), por radiación de gas (zona de reacción - tubo) y por convección (productos de combustión que han reaccionado totalmente - tubos).

Los quemadores imprimen al chorro de combustible y aire saliente con preferencia un impulso axial de salida grande. Este es con preferencia tan grande, que el chorro alcanza la pared opuesta y genera en ella una mancha/zona caliente. Los quemadores pueden poseer orificios de salida para la mezcla de combustible y aire u orificios de salida separados para combustible y aire. Este cede la radiación de calor a los tubos calentadores.

Si se utilizan quemadores, que trabajen según el principio de la oxidación sin llama, no se forman puntas de temperatura en la proximidad de los quemadores, de manera, que los tramos de filas de tubos dispuestos formando un ángulo se pueden disponer relativamente próximos delante del quemador. La recirculación en un espacio grande de los gases de combustión hace posible, en especial en el caso de la oxidación sin llama, una reducción óptima de la emisión de NO_{x}, incluso con un precalentamiento máximo del aire. Las zonas reductoras relativamente grandes, que se forman, no entran en contacto, debido a la disposición de los tubos, con los tubos calentadores. La disposición de los tubos hace, además, posibles una construcción compacta de la instalación y una transmisión grande de calor sin puntas de temperatura en los tubos calentadores.

Además, los quemadores apropiados para la oxidación sin llama hacen también posible la utilización de combustibles problemáticos o de combustibles con una composición variante, que generalmente crearían problemas de estabilidad en la formación de una llama.

Otros detalles de formas de ejecución ventajosas son objeto del dibujo, de la descripción o de las reivindicaciones subordinadas.

En el dibujo se representan ejemplos de ejecución del invento. En él muestran:

La figura 1, en una representación esquemática en sección horizontal, una instalación para procesos térmicos con la disposición según el invento de los quemadores y de los tubos calentadores.

La figura 2, en una representación en sección horizontal, una forma de ejecución modificada de la instalación para procesos térmicos.

La figura 3, en una vista esquemática en perspectiva, la instalación para procesos térmicos según la figura 1 o la figura 2.

La figura 4, una forma de ejecución modificada de la instalación para procesos térmicos.

La figura 5, otra forma de ejecución modificada de la instalación para procesos térmicos.

La figura 6, en un representación esquemática en sección y de principio, un quemador de la instalación para procesos térmicos.

Las figuras 7 y 8 representan, además, instalaciones para procesos térmicos según el estado de la técnica.

En la figura 1 se representa una instalación 1 para procesos térmicos con una pared 2 (2a, 2b) de horno de mampostería, que limita una cámara 3 de horno y forma una disposición de pared. En la cámara 3 del horno están dispuestos tubos 4 calentadores en los que circula un fluido, que debe ser calentado o mantenido a una temperatura alta. El fluido puede estar expuesto a transformaciones químicas en su camino a través de los tubos 4 calentadores.

Los tubos 4 calentadores están dispuestos, como muestra la figura 1, con sus ejes paralelos y distanciados entre sí en una fila 10 con forma de zig-zag. Los grupos 11 y 12 de tubos 4 calentadores forman siempre un tramo de fila de tubos, que no están alineados paralelos entre sí y que forman entre sí un ángulo distinto de cero, con preferencia agudo (por ejemplo 30º...80º). Los ángulos formados por los tramos 11, 12 de tubos se abren alternativamente hacia una o la otra pared 2a, 2b del horno mutuamente enfrentadas. En el ejemplo de ejecución según la figura 1, los tramos de fila formados por los grupos 11, 12 son en sí rectos, al mismo tiempo, que los tramos del grupo 11 son paralelos entre sí. También los tramos de fila del grupo 12 son rectos y paralelos entre sí en este ejemplo. Sin embargo, también es posible disponer los tubos 4 calentadores de tal modo, que los tramos de fila de los grupos 11 y 12 estén curvados u ondulados.

Para el calentamiento de los tubos 4 calentadores se prevén quemadores 6a, 6b situados en orificios correspondientes de la pared 2a., respectivamente 2b del horno. En la forma de ejecución según la figura 1, los quemadores 6a, 6b son quemadores preparados para la oxidación sin llama. Generan un chorro de combustible y aire, es decir un chorro 14a, 14b cuantitativo con impulso de salida axial orientado contra la pared 2a, 2b del horno opuesta en cada caso. En la salida de los quemadores se evita, por medio de una configuración correspondiente desde el punto de vista de la circulación, la estabilización de una llama.

El chorro 14a, 14b cuantitativo procedente del quemador 6a, 6b se halla siempre entre dos tubos 4 calentadores adyacentes, de los que uno pertenece al grupo 11 y el otro al grupo 12. Entonces se forma una corriente de recirculación en un espacio grande representada en la figura 1 con flechas 15, al mismo tiempo, que entre los tramos de filas de los grupos 11, 12 se forma una zona 16 de reacción grande.

Los quemadores 6a, 6b se construyen como quemadores recuperadores o quemadores regeneradores, que permiten un precalentamiento grande del aire. A título de ejemplo se representa en la figura 6 un esquema de principio de un quemador 6 recuperador. Este posee una tubería 17 central de entrada de combustible, que deja salir el combustible con un impulso de salida axial. Además, el quemador 6 posee una entrada 18 de aire, que confiere igualmente al aire de combustión saliente un impulso de salida axial. La entrada 18 de aire se halla a través de un tubo 19 recuperador en intercambio de calor con un chorro de gas de escape, que se extrae de la cámara del horno en contracorriente por medio de una tubería 20 de gas de escape. El tubo 19 recuperador es un intercambiador de calor. Con la evacuación de los gases de escape por medio de los quemadores 6 se consigue, que las zonas de regulación de la temperatura se influyan poco mutuamente.

Como muestra la figura 3, se pueden disponer en cada pared 2a, 2b del horno una fila con varios quemadores 6, al mismo tiempo, que los quemadores 6 (6a, 6b) generan siempre un impulso de salida orientado transversalmente con relación a los tubos 4 calentadores y están dispuestos por grupos en filas orientadas paralelas a los tubos 4 calentadores. Los quemadores 6 se pueden disponer con separaciones iguales o con separaciones desiguales. Así por ejemplo, en el caso de un chorro de fluido dirigido hacia abajo se puede prever en una primera zona una cantidad de quemadores mayor (densidad de quemadores) para calentar en primer lugar de manera rápida el chorro de fluido entrante, mientras que en las zonas 2, 3 situadas debajo son suficientes menos quemadores 6 para mantener la temperatura alcanzada.

Adicionalmente se pueden prever quemadores 6'' orientados paralelamente a los tubos 4 quemadores y que poseen con ello un impulso de salida paralelo a estos tubos 4 calentadores. Estos calentadores se disponen con preferencia en zig-zag por encima, respectivamente por debajo de las zonas 16, limitadas aproximadamente con forma de triángulo por los grupos 11, 12 (figura 1) de la cámara 3 del horno. Pueden servir para el arranque de la instalación, es decir para un primer calentamiento, por el hecho de que calientan en sentido paralelo a los tubos 4 calentadores y después se desconectan, se conmutan a oxidación sin llama o se mantienen en funcionamiento. En una forma de ejecución preferida los quemadores 6'' son quemadores equipados con mantenedores de llama, que producen una llama, mientras que los quemadores 6a, 6b son quemadores sin mantenedores de la llama preparados para la oxidación sin llama, que sólo se conectan en estado caliente. Sin embargo, en caso necesario se pueden prever como quemadores 6a, 6b quemadores conmutables, que primeramente trabajan con llama para el encendido y que, una vez alcanzada la temperatura necesaria, pasan a funcionamiento sin llama.

La instalación 1 para procesos térmicos descrita hasta aquí funciona como sigue:

Los quemadores 6a, 6b generan durante el funcionamiento un chorro de combustible y aire transversal a los tubos 4 calentadores aproximadamente perpendicular a la pared 6a, 6b del horno y dirigido hacia la pared 2a, 2b opuesta del horno. El chorro pasa a través de tubos 4 calentadores adyacentes y alcanza la zona 16 de oxidación en la que tiene lugar la oxidación sin llama. El calor liberado aquí llega con el chorro de gas a la pared 2b, 2a del horno en la que se forma una zona 21 correspondiente muy caliente. La radiación de calor procedente de esta zona 21 incide, igual que la radiación de calor procedente de la zona 16 de oxidación, en los tubos 4 calentadores sin apantallamientos. La distribución del calor es relativamente uniforme, es decir, que todos los tubos 4 calentadores reciben aproximadamente la misma cantidad de calor.

Debido al impulso, dirigido alternativamente en sentidos opuestos, de los quemadores 6a, 6b tiene lugar una circulación en un espacio grande, como se indica con las flechas 15. La recirculación en un espacio grande abarca siempre los tubos 4 calentadores de cada grupo 11, 12, con lo que se obtiene una transmisión de calor por convección uniforme. Los tubos 4 calentadores se hallan fuera de la zona 16 de oxidación, en la que reina una atmósfera reductora, lo que evita el correspondiente desgaste de los tubos.

Los tubos 4 calentadores están dispuestos en el ejemplo de ejecución representado en la figura 1 con separaciones mutuas iguales en general. Por medio de la cantidad de tubos calentadores, sus separaciones y el ángulo que forman entre sí los tramos de los grupos 11, 12 se puede influir de manera definida en la distribución del calor entre los tubos 4 calentadores. Por medio del ángulo, de la cantidad y se la separación de los tubos calentadores se puede determinar la relación entre la superficie de la pared 2 del horno y la superficie de los tubos, intentando con preferencia alcanzar aproximadamente la igualdad entre la superficie de los tubos y la superficie de la pared del horno.

Los quemadores 6 pueden ser regulados con preferencia así como conectados y desconectados individualmente. De esta manera se puede influir adicionalmente de modo definido en la distribución del calor en la cámara 3 del horno.

En la figura 2 se representa una forma de ejecución modificada de las instalación 1 para procesos térmicos según el invento. En lugar de los quemadores previstos para la oxidación sin llama se prevén aquí quemadores 6, que lanzan una llama contra la correspondiente pared 2a, 2b opuesta del horno. La disposición en zig-zag de los tubos 4 calentadores y las condiciones de circulación en un espacio grande son, sin embargo, análogas a las de la forma de ejecución según la figura 1. Igualmente se pueden prever quemadores 6'' adicionales, como se desprende de la figura 3.

Como muestra la figura 4, es también posible disponer los tubos 4 calentadores, tanto con quemadores con llama, como también con quemadores sin llama, en una fila ondulada. También esta fila posee nuevamente tramos formados por grupos 11, 12 de tubos 4 calentadores no alineados paralelamente entre sí. Sin embargo, en concordancia con la forma de ejecución según las figuras 1 y 2, los grupos 11 y 12 poseen con preferencia la misma cantidad de tubos 4 calentadores, al mismo tiempo, que las separaciones entre los tubos 4 calentadores del grupo 11 y los tubos 4 calentadores del grupo 12 aumenta desde el quemador 6 correspondiente hasta la pared opuesta del horno. No es necesario, que el aumento de la separación sea lineal. Igualmente, tampoco es necesario, que las separaciones entre los tubos 4 calentadores sean equidistantes.

Como muestra la figura 5, se pueden prever en caso necesario tubos 4' calentadores adicionales, que sirven por ejemplo como tubos de sobrecalentamiento, que se asignan a otra fase del proceso o que fundamentalmente deben cumplir condiciones distintas de las de los tubos 4 calentadores. Sin embargo, se intentará disponer los tubos 4' adicionales de tal modo, que no influyan esencialmente en el funcionamiento descrito de la instalación 1 para procesos térmicos.

Una instalación 1 para procesos térmicos posee tubos 4 calentadores dispuesto en una fila ondulada en una cámara de horno. Tanto en las "crestas", como en los "valles" de la ondulación se prevén quemadores, que generan un chorro de gas dirigido contra la pared opuesta del horno. El calor de radiación de la pared del horno y de la zona de reacción (calor de combustión) calienta los tubos calentadores.

Claims (8)

1. Sistema de calefacción, en especial instalación (1) para procesos térmicos, con una disposición (2) de pared, que limita al menos parcialmente una cámara (3) interior, que puede ser calentada, con tubos (4) calentadores para la conducción de uno o de varios fluidos, que deban ser calentados, dispuestos en la cámara (3) esencialmente paralelos entre sí, con quemadores (6), que, para el calentamiento de la cámara (3) interior, se disponen transversales con relación a los tubos (4) calentadores y orientados con su chorro de aire y combustible contra una parte (21) opuesta de la disposición (2) de pared, al mismo tiempo, que los tubos (4) están dispuestos en una fila (10), que posee al menos dos tramos (11, 12) de filas de tubos, que no están orientados paralelamente entre sí y que forman entre sí un ángulo, que se abre alejándose de los quemadores (6).

2. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque los tubos están dispuestos distanciados entre sí en una fila (10) con forma de zig-zag, ondulada o con forma de meandro, que se extiende entre dos paredes (2a, 2b) paralelas entre sí de la disposición (2) de pared.

3. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque los quemadores están alineados de tal modo, que el chorro de gas procedente del correspondiente quemador (6) está orientado entre dos tubos (4) calentadores mutuamente adyacentes hacia una zona esencialmente libre de la cámara interior.

4. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque varios de los quemadores (6) están dispuestos en un grupo (6a), en el que están dispuestos en una fila y están alineados paralelos entre sí.

5. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque los quemadores (6'') adicionales están orientados esencialmente paralelos a los tubos (4) calentadores.

6. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque los quemadores (6) están provistos de un dispositivo para el precalentamiento del aire.

7. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque los quemadores (6) están preparados para la creación de las condiciones en las que se produce la oxidación sin llamas del combustible inyectado en la cámara (3) interior.

8. Sistema de calefacción según la reivindicación 1, caracterizado porque los quemadores imprimen al combustible y al aire de combustión introducidos en la cámara (3) interior un impulso de salida predominantemente axial con una rotación pequeña o nula.