ES2260534T3 - Quemador de combustion. - Google Patents
Quemador de combustion.Info
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Abstract
Un quemador de combustión que comprende una boquilla (2) de mezcla que define un paso de fluido de mezcla a través del cual fluye hacia un horno (4) un fluido (1) de mezcla que contiene combustible sólido en polvo y aire primario como gas de transporte para transferir dicho combustible sólido; un paso (6) de gas que rodea dicha boquilla (2) de mezcla, a través del cual fluye aire secundario; y un anillo (3) estabilizador de llama dispuesto en el extremo distal de dicha boquilla (2) de mezcla, que tiene una porción de pared interior radial que sobresale perpendicularmente en el interior de la boquilla (2) de mezcla y una porción de pared exterior radial que sobresale en el interior del paso (6) de gas; caracterizado porque la porción de pared periférica exterior del anillo (3) estabilizador de llama tiene una sección transversal en forma de L, que comprende la porción de pared interior radial y una porción tubular que se extiende aguas abajo con respecto al flujo, y porque en el extremo distal de dicha porción tubular está fijado un disco (116) de separación exterior que separa el aire secundario de la llama del quemador y mezcla el aire secundario con el gas caliente inmediatamente aguas abajo del anillo (3) estabilizador de llama.
Description
Quemador de combustión.
Este invento se refiere a un quemador de
combustión de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 para
ser utilizado en un aparato de combustión, tal como una caldera, un
horno de calentamiento o un horno de producción de aire
caliente.
Un quemador de combustión del tipo descrito
comprende una boquilla de mezcla que define un paso de fluido de
mezcla a través del cual fluye hacia un horno un fluido de mezcla,
que contiene un combustible sólido y un gas principal para fines de
transferencia, y una boquilla de suministro de gas que define un
paso de gas a través del cual pasa un gas secundario y un gas
terciario. Los gases secundario y terciario fluyen alrededor del
gas de mezcla. Está dispuesto dentro de la boquilla de mezcla un
quemador de petróleo para fines de encendido.
En un quemador de combustión convencional, está
dispuesto un anillo estabilizador de llama en la proximidad de un
extremo de salida de la boquilla de mezcla, y los gases secundario y
terciario son sometidos a turbulencias por dispositivos generadores
de turbulencia, y se inyectan desde las boquillas de suministro de
gas.
Durante el funcionamiento del quemador de
combustión, se forma en la proximidad de la salida de la boquilla
de mezcla una región de reducción, que incluye una región de
encendido y una región de ausencia de encendido dentro de la región
de encendido, y se forma adicionalmente una región rica en aire, que
contiene una mayor cantidad de oxígeno, rodeando la región de
reducción. Potenciando la tasa de combustión en la región de
reducción, puede conseguirse una combustión con bajo contenido en
óxidos de nitrógeno.
Recientemente, se ha requerido que los
quemadores de combustión realicen una combustión con bajo contenido
en óxidos de nitrógeno, y se ha requerido también que tengan una
gran capacidad. Como resultado, se ha aumentado el diámetro de la
boquilla de mezcla de los quemadores de combustión.
Cuando aumenta el diámetro de la boquilla de
mezcla, disminuye relativamente en forma acorde la región de
encendido de la región de reducción. Como resultado, se suprime la
combustión con bajo contenido en óxidos de nitrógeno en la región
de reducción.
El documento EP 0 672 863 A describe un quemador
de combustión para quemar carbón pulverizado que comprende una
boquilla de mezcla central para la transferencia de una mezcla de
carbón pulverizado y aire a un horno. Esta boquilla de mezcla está
rodeada por una boquilla de aire secundario. En el extremo distal de
la boquilla de mezcla está montado un anillo estabilizador de
llama. Una porción de pared interior radial de este anillo
estabilizador de llama sobresale perpendicularmente dentro de la
boquilla de mezcla, y una porción de pared exterior radial en la
boquilla de aire secundario inclinada aguas abajo.
Por consiguiente, un objeto de este invento es
crear un quemador de combustión que puede conseguir la combustión
con bajo contenido en óxidos de nitrógeno incluso si el quemador de
combustión tiene una gran capacidad.
Este objetivo se alcanzará de acuerdo con el
presente invento según lo expuesto en las características
específicas de la reivindicación 1. El quemador de combustión
comprende una boquilla de mezcla que define un paso de fluido de
mezcla a través del cual fluye hacia un horno un fluido de mezcla
que contiene combustible sólido pulverizado y un gas de
transferencia para transferir el combustible sólido; un paso de gas
que rodea a la boquilla de mezcla, a través del cual fluye gas de
combustión que contiene oxígeno; y medios para dirigir gas a alta
temperatura, dispuestos en la proximidad de la periferia exterior
de un extremo distal de la boquilla de mezcla, hacia el fluido
de
mezcla.
mezcla.
La Figura 1 es una vista en corte transversal
vertical que representa una realización preferida de un quemador de
combustión de acuerdo con el presente invento;
La Figura 2 es una vista en alzado frontal como
se observa a lo largo de la línea XII-XII de la
Figura 1;
La Figura 3 es una vista en corte transversal
vertical que representa una realización adicional de un quemador de
combustión de acuerdo con el invento;
La Figura 4 es una vista en perspectiva que
muestra un disco secundario de separación de aire representado en
la Figura 1;
La Figura 5 es una vista en corte transversal
vertical que representa una realización adicional de un quemador de
combustión de acuerdo con el invento;
La Figura 6 es una vista en alzado frontal a lo
largo de la línea XXVI-XXVI de la Figura 5;
Las Figuras 7 y 8 son vistas en perspectiva que
representan placas secundarias de separación de aire modificadas,
respectivamente;
Las Figuras 9 a 14 son vistas en perspectiva que
representan boquillas de inyección modificadas, respectivamente;
Las Figuras 15 y 16 son vistas que muestran
condiciones de la llama, respectivamente;
Las Figuras 17 a 19 son vistas desde abajo que
representan aberturas de inyección; y
La Figura 20 es una vista en corte transversal
vertical que representa una realización adicional de un quemador de
combustión de acuerdo con el invento.
En un quemador de combustión representado en la
Figura 1, un fluido 1 de mezcla, que contiene carbón combustible
pulverizado finamente y aire de transporte, es suministrado a un
horno 4 a través de un paso de fluido de mezcla definido por una
boquilla 2 de mezcla. Está dispuesto un anillo 3 estabilizador de
llama en un extremo distal de la boquilla 2 de mezcla, teniendo la
porción periférica exterior del anillo 3 estabilizador de llama una
sección transversal en forma de L.
Es suministrado aire de combustión (aire
secundario 6 y aire terciario 9) desde una caja 5 de viento a una
región que rodea a la periferia exterior de la boquilla 2 de
mezcla.
El aire terciario 9 es dispersado adicionalmente
hacia fuera o proyectado por una placa 11 de guía, de modo que una
porción central de la llama se lleva a una condición de baja
proporción de aire, es decir una condición de enriquecimiento de
combustible. Antes de mezclarse el aire periférico exterior con el
fluido 1 de mezcla, la tasa de combustión de combustible es
mejorada en una región de reducción de tal modo que puede
conseguirse una combustión con bajo contenido en óxidos de
nitrógeno.
En esta disposición, el aire 21 se utiliza como
gas de estabilización de llama en la región interior, y puede ser
suministrado, a través de un conducto 22 de alimentación de gas de
estabilización de llama interior, a un cabezal 23 dispuesto dentro
de la caja 5 de viento. El aire 21 de estabilización de llama
interior es suministrado adicionalmente al extremo distal de la
boquilla 2 de mezcla a través de cuatro boquillas 24. El aire 21 es
inyectado desde cuatro aberturas de inyección dispuestas en posición
adyacente al anillo 3 estabilizador de llama, hacia una porción
central de la boquilla 2 de mezcla, de modo que se forman cuatro
chorros 26 de aire.
Cada uno de los chorros 26 de aire sirve como
estabilizador de llama rígido y forma flujos de circulación en su
lado aguas abajo, permitiendo así el encendido y estabilización de
la llama.
Está presente gas de recirculación de alta
temperatura inmediatamente aguas abajo del anillo 3 estabilizador
de llama, y favorece el encendido y estabilización de la llama en la
proximidad del anillo 3 estabilizador de llama. Los chorros 26 de
aire inyectados, respectivamente, desde las aberturas 25 de
inyección de las boquillas 24 de aire de estabilización de llama
interior hacia la porción central de la boquilla 2 de mezcla,
consiguen una acción de transporte y, por consiguiente, parte del
gas de recirculación de alta temperatura fluye a lo largo de los
chorros 26 de aire en el fluido 1 de mezcla, de modo que se mejoran
las prestaciones de encendido y estabilización de la llama. Puesto
que los chorros 26 de aire aumentan las perturbaciones del fluido de
mezcla, se mejora la eficiencia de combustión después del
encendido.
Si la velocidad de flujo de los chorros 26 de
aire es baja, los chorros 26 de aire son desviados por el flujo del
fluido 1 de mezcla, y consiguientemente se retarda la llegada de los
chorros 26 de aire a la porción central de la boquilla 2 de mezcla.
Con el fin de aumentar la extensión de la región de encendido, se
prefiere que la velocidad de flujo de los chorros 26 de aire no sea
menor que tres veces la velocidad de flujo del fluido 1 de
mezcla.
Si el cociente entre la suma de los anchos de
los chorros 26 de aire en la dirección periférica (circunferencial)
y la longitud periférica de la salida de la boquilla 2 de mezcla
tiene un valor alto, la mayor parte del carbón pulverizado a
encender es forzada hacia la porción central de la boquilla 2 de
mezcla, de modo que empeoran las prestaciones de encendido y
estabilización de llama. Si el diámetro interior de la boquilla 2 de
mezcla está representado por d y el ancho de cada uno de los
chorros 26 de aire de estabilización de llama está representado por
b, la longitud periférica de la salida de la boquilla 2 de mezcla
está representada por \pid, y la suma de los anchos de los
chorros de aire en la dirección periférica está representada por 4b,
se prefiere consiguientemente que se cumpla la fórmula
siguiente:
siguiente:
\pi d/40 \leq
b \leq \pi
d/8
Puede formarse una porción de presión negativa
en el flujo del fluido 1 de mezcla por los chorros 26 de aire, y se
produce una perturbación en la porción de presión negativa del
fluido de mezcla, y debido a la acción de transporte del gas
caliente de los chorros 26 de aire, en una región C de ausencia de
encendido del fluido de mezcla en el extremo distal de la boquilla
2 de mezcla, se favorece el encendido y estabilización de llama.
La porción de presión negativa se forma en el
flujo del fluido de mezcla inyectando el aire radialmente hacia
adentro desde las cuatro boquillas 24 de aire de estabilización de
llama interior, dispuestas en posición adyacente a la periferia
exterior de la porción de extremo distal de la boquilla 2 de mezcla,
hacia el centro de la boquilla 2 de
mezcla.
mezcla.
La extensión de la región de encendido situada
en la región C de ausencia de encendido se aumenta sin retardar la
llegada de los chorros de aire a la porción central del fluido de
mezcla, siempre que la velocidad de flujo de los chorros de aire
que salen de las boquillas 24 de aire no se haga menor que tres
veces la velocidad de flujo del fluido de mezcla. Si la suma de los
anchos de las aberturas de inyección de las boquillas 24 de aire
está comprendida entre el 10% y el 50% de la longitud periférica del
extremo distal de la boquilla de mezcla, el fluido de mezcla a
encender no será forzado indebidamente hacia la porción central de
la boquilla principal, y consiguientemente pueden conseguirse
prestaciones satisfactorias de encendido y estabilización de llama
en la región C de ausencia de encendido debido a los chorros de
gas.
Cuando la dirección de inyección del aire
procedente de cada boquilla 24 de aire es perpendicular a la
dirección del flujo del fluido 1 de mezcla, el aire procedente de
la abertura 25 de inyección forma realmente el chorro 26 de aire
debido al flujo del fluido 1 de mezcla, y se forma una región de
encendido y estabilización de llama en una región del límite (que
está dispuesto ligeramente aguas debajo de la salida de la boquilla
2 de mezcla) entre este chorro 26 de gas y el flujo del fluido 1 de
mezcla.
Cuando la inyección del aire procedente de cada
una de las boquillas 24 de aire está dirigida hacia el lado aguas
arriba en la boquilla 2 de mezcla, el chorro 26 de aire inyectado
desde la boquilla 24 de aire es forzado a retornar hacia la salida
de la boquilla 2 de mezcla por el flujo del fluido 1 de mezcla, de
modo que se forma una región de encendido y estabilización de llama
en la salida de la boquilla 2 de mezcla.
Si la abertura 25 de inyección de cada boquilla
24 de aire puede girar alrededor del eje de la boquilla 24 de aire
y/o alrededor de un eje perpendicular al eje de la boquilla 24 de
aire, o puede desplazarse axialmente, el aire puede inyectarse
desde la posición óptima en la dirección óptima, dependiendo de la
configuración del quemador, de la naturaleza del combustible, de la
carga de térmica de una caldera, etc. El número y disposición de
las boquillas 24 de aire no están limitados a los descritos
anteriormente, sino que pueden modificarse.
Cuando la carga del quemador es baja, la
velocidad de flujo del fluido 1 de mezcla disminuye, y
consiguientemente puede ser baja la velocidad de flujo del aire de
estabilización de llama interior. Ajustando la cantidad del aire de
estabilización de llama interior de acuerdo con la carga del
quemador o caldera (equivalente a la carga del quemador), puede
conseguirse el funcionamiento de alta eficiencia en el cual se
mantiene mínima la potencia requerida para el suministro del aire
de estabilización de llama interior.
El aire de estabilización de llama interior
puede ser suministrado por un ventilador dedicado. En este caso,
puesto que la presión óptima de suministro puede ajustarse para el
aire de estabilización de llama interior, puede conseguirse un
funcionamiento eficiente desde el punto de vista de consumo de
potencia. También en este caso puede suministrarse indistintamente
la corriente de aire de baja temperatura de un precalentador de aire
o la corriente de aire caliente (alta temperatura) del
precalentador de aire. En este caso, suministrando la corriente de
aire caliente del precalentador de aire durante el funcionamiento de
los quemadores, el carbón pulverizado y el fluido 1 de mezcla
pueden ser calentados después de la inyección del gas de
estabilización de llama interior, mejorando así la eficiencia de
combustión, y suministrando la corriente de aire de baja
temperatura del precalentador de aire cuando los quemadores están
apagados, pueden enfriarse las porciones de las salidas de los
quemadores, suprimiéndose así la influencia del calor de radiación
del horno 4.
Puede utilizarse como aire de estabilización de
llama interior aire rico en oxígeno con una concentración de
oxígeno no inferior al 21%. En este caso, se mejora adicionalmente
el rendimiento de encendido y estabilización de la llama, de modo
que se favorece adicionalmente la combustión con bajo contenido en
óxidos de nitrógeno de alta eficiencia.
El quemador ilustrado en la Figura 1 comprende
un dispositivo Venturi 112 formado sobre una superficie periférica
interior de la boquilla 2 de mezcla para estrangular el flujo 1 de
carbón pulverizado para evitar el fuego de retorno, un dispositivo
114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado dispuesto en un
extremo distal de un quemador 110 de combustible que se extiende
dentro de la boquilla 2 de mezcla hacia un horno 4 para ajustar la
distribución de concentraciones de las partículas de carbón
pulverizado en el flujo 1 de carbón pulverizado, el anillo 3
estabilizador de llama dispuesto en un extremo distal de la boquilla
2 de mezcla para encender el carbón pulverizado en el flujo 1 de
carbón pulverizado y para estabilizar la llama, un disco anular 116
de separación de aire secundario que potencia la ignición y la
estabilización de la llama y tiene el efecto de separar la llama
del quemador del aire secundario 6, boquillas 24 de inyección de gas
para inyectar gas 21 desde un conducto 22 de suministro de gas al
horno 4 para llevar el gas caliente próximo al anillo 3
estabilizador de llama a la porción central del quemador, un
manguito secundario 118 que forma un paso alrededor de la periferia
exterior de la boquilla 2 de mezcla, a través del cual pasa el aire
secundario 6 de combustión, una guía 11 formada a modo de rampa en
un extremo distal del manguito secundario 118, un manguito terciario
120 que coopera con el manguito secundario 118 para formar un paso
entre ellos para el aire terciario 9 de combustión, un amortiguador
122 de aire secundario para controlar la cantidad de aire secundario
a suministrar, y una resistencia 10 de aire terciario para
controlar el aire terciario 9 a suministrar y para controlar la
fuerza de torbellino del aire terciario 9 suministrado a la
periferia exterior de la llama del quemador. El aire secundario y
el aire terciario son suministrados desde una caja 5 de viento, y
estos miembros constituyentes del quemador están dispuestos para
quedar expuestos en una garganta 124 de quemador.
En este quemador, el gas 1 de mezcla (flujo de
carbón pulverizado), compuesto por el carbón fino pulverizado y el
aire primario, es suministrado a la boquilla 2 de mezcla. El flujo
de carbón pulverizado es estrangulado por el dispositivo Venturi
112 y, por consiguiente, aumenta la concentración de las partículas
de carbón pulverizado en el flujo 1 de carbón pulverizado en la
región próxima al anillo 3 estabilizador de llama debido a la
disposición del dispositivo 114 de ajuste de concentración de
carbón pulverizado. El encendido del carbón pulverizado y la
estabilización de la llama se realizan en la proximidad del anillo
3. En este momento, se genera una porción de presión negativa del
flujo 1 de carbón pulverizado inmediatamente aguas abajo del anillo
3 estabilizador de llama. Una parte del aire secundario 6 y del
flujo 1 de carbón pulverizado en la boquilla 2 de mezcla es
aspirada dentro de esta porción de presión negativa, formándose así
una región de encendido del flujo 1 de carbón pulverizado. Se
genera gas caliente en la región de encendido, y este gas caliente
es inyectado en el flujo 1 de carbón pulverizado por chorros 26 de
gas (en este caso aire) aplicados, respectivamente, por las
boquillas 24 de inyección de gas hacia la porción central de la
boquilla 2 de mezcla, reduciéndose así la extensión de una región
de ausencia de encendido del gas de combustión para crear una región
de encendido, mejorándose así la capacidad de estabilización de
llama del quemador.
Como medios para mejorar las prestaciones de
encendido de combustible y estabilización de llama en la proximidad
del boquilla 2 de mezcla, está dispuesto el dispositivo 114 de
ajuste de concentración de carbón pulverizado en la porción central
de la boquilla 2 de mezcla. El dispositivo 114 de ajuste de
concentración de carbón pulverizado está montado sobre la
superficie periférica exterior de la porción de extremo distal del
quemador 110 de petróleo que se utiliza cuando se activa el
quemador. El quemador 110 de petróleo se utiliza no solamente
cuando se activa el quemador, sino también durante un funcionamiento
a baja carga. En el quemador del tipo en el cual no se requiere el
quemador de petróleo, puede estar dispuesto un soporte (no
representado) en la posición en la que ha de instalarse el quemador
de petróleo, y el dispositivo 114 de ajuste de concentración de
carbón pulverizado puede estar montado sobre este soporte.
Como se muestra específicamente en la Figura 3,
el dispositivo 114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado
que está montado sobre la superficie periférica exterior del
quemador 110 de petróleo, tiene la misma forma que la que se
obtiene haciendo girar la placa trapezoidal alrededor de un eje del
quemador 110 de petróleo. Una porción divergente o de inclinación
en el lado aguas arriba del dispositivo 114 de ajuste de
concentración de carbón pulverizado tiene un ángulo a de
inclinación de 20°, y una porción divergente o de inclinación aguas
abajo del mismo tiene un ángulo b de inclinación de 15°, y la
relación dimensional r1 entre un diámetro exterior c de una
porción paralela del mismo (paralela a la superficie periférica
interior de la boquilla 2 de mezcla y al eje del quemador) y una
longitud d del mismo en la dirección de flujo del gas, es
igual a 1 (r1 = d/c = 1).
Si la longitud c de la porción paralela
del dispositivo 114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado
es demasiado grande, debe aumentarse el tamaño de la caja 5 de
viento, y esto es desventajoso desde el punto de vista económico.
La dimensión del diámetro exterior d de la porción paralela
está limitada por el diámetro de la boquilla 2 de mezcla. El
diámetro exterior c es usualmente de aproximadamente el 70%
del diámetro de la boquilla 2 de mezcla. Con el fin de rectificar
el flujo 1 de carbón pulverizado concentrado por la superficie
inclinada en el lado aguas arriba del dispositivo 114 de ajuste de
concentración de carbón pulverizado, la relación r1 (= c/d) entre
el diámetro exterior d de la porción paralela del dispositivo
114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado y su longitud
c, está comprendida preferiblemente entre 1 y 2, ambos
inclusive.
Es necesario también que el ángulo i de
inclinación de una porción divergente o inclinada en el lado aguas
abajo del dispositivo Venturi 112 formado en la superficie
periférica interior de la boquilla 2 de mezcla con respecto al eje
del quemador, sea menor que el ángulo a de inclinación de la
porción inclinada en el lado aguas arriba del dispositivo 114 de
ajuste de concentración de carbón pulverizado (i < a).
En esta realización, el ángulo a de
inclinación es aproximadamente de 20°, y el ángulo i de
inclinación es aproximadamente de 10°.
El dispositivo 114 de ajuste de concentración de
carbón pulverizado tiene la función de mejorar la concentración del
carbón pulverizado en el fluido de mezcla que fluye en la región
próxima a la superficie periférica interior de la boquilla 2 de
mezcla por medio de la porción inclinada aguas arriba. El ángulo
a de inclinación de la superficie inclinada aguas arriba del
dispositivo 114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado
está comprendido preferiblemente entre 15 grados y 25 grados. Si el
ángulo a de inclinación es inferior a 15 grados, el efecto
de aspiración de las partículas de carbón pulverizado hacia la
superficie periférica interior de la boquilla 2 de mezcla se
atenúa, y si el ángulo a de inclinación es mayor de 25
grados, incide una cantidad mayor de partículas de carbón
pulverizado sobre la superficie periférica interior de la boquilla 2
de mezcla, de modo que esta superficie periférica interior puede
desgastarse con mayor facilidad.
Con el fin de formar la llama de alta
temperatura en la salida del quemador, es importante aumentar la
concentración de carbón pulverizado en la zona próxima al anillo 3
estabilizador de llama y disminuir también gradualmente la
velocidad de flujo del flujo 1 de carbón pulverizado de modo que el
flujo 1 de carbón pulverizado no se separe de la superficie
exterior de la porción de extremo distal (porción aguas abajo) del
dispositivo 114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado.
Con el fin de conseguir estas funciones, el ángulo b de
inclinación de la superficie inclinada aguas abajo del dispositivo
114 de ajuste de concentración de carbón pulverizado está ajustado
preferiblemente entre 6 y 18 grados, a fin de rebajar gradualmente
la velocidad de flujo del flujo 1 de carbón pulverizado. Incluso si
el ángulo b de inclinación es inferior a 6 grados, puede
obtenerse el efecto de concentración equivalente, pero la
profundidad del dispositivo 114 de ajuste de concentración de
carbón pulverizado, y también la profundidad de la caja 5 de viento,
se aumenta indebidamente, lo cual aumenta el tamaño del horno. Si
el ángulo b de inclinación es superior a 18 grados, es
posible que se produzca la separación.
El ángulo a de inclinación y el ángulo
b de inclinación pueden ajustarse independientemente.
En lo que respecta a la función de la porción
paralela del dispositivo 114 de ajuste de concentración de carbón
pulverizado, después de ser desviado el flujo 1 de carbón
pulverizado por su superficie inclinada aguas arriba, el flujo 1 de
carbón pulverizado, cuya concentración de partículas de carbón
pulverizado es aumentada en la proximidad de la superficie
periférica interior de la boquilla 2 de mezcla, se estabiliza en una
dirección paralela a la superficie periférica interior de la
boquilla 2 de mezcla. Con la disposición de esta porción paralela,
el flujo 1 de carbón pulverizado puede ser rectificado de un modo
estable por el dispositivo 114 de ajuste de concentración de carbón
pulverizado incluso si la concentración de carbón pulverizado del
combustible y la naturaleza del carbón varían, y la carga de
combustión se modifica bruscamente.
Como resulta claro por la ilustración de la
densidad de carbón de la Figura 3, la concentración del carbón
pulverizado es relativamente alta en la proximidad del anillo 3
estabilizador de llama, y es relativamente baja en la porción
central del quemador.
Determinando adecuadamente los ángulos de
inclinación de las superficies inclinadas del dispositivo 114 de
ajuste de concentración de carbón pulverizado y las dimensiones de
su porción paralela, y determinando también adecuadamente el ángulo
i de inclinación de la porción inclinada aguas abajo del
dispositivo Venturi 112, puede aumentarse la concentración del
carbón pulverizado en el fluido de mezcla en la zona próxima al
anillo 3 estabilizador de llama, y puede también suministrarse el
fluido de mezcla a baja velocidad a la salida del quemador, de modo
que puede conseguirse eficazmente el encendido del combustible y la
estabilización de la llama de un modo estable en la salida del
quemador.
En esta realización, el disco anular 116 de
separación de aire secundario está dispuesto para dirigir el flujo
del aire secundario 6 hacia la periferia exterior del extremo distal
de la boquilla 2 de mezcla (véanse las Figuras 2 y 4). El disco
anular 116 de separación de aire secundario tiene la función de
separar el aire secundario 6 de la llama del quemador, y tiene
también la función de mezclar el aire secundario 6 con el gas
caliente inmediatamente aguas abajo del anillo 3 estabilizador de
llama, mejorando así la capacidad de encendido y estabilización de
llama del anillo 3 estabilizador de llama. Como se muestra en las
Figuras 1 y 2, la porción radialmente hacia adentro del flujo del
aire secundario 6 es interrumpida por el disco 116, y las aberturas
25 de inyección de las boquillas 24 de inyección de gas están
abiertas aguas abajo del disco 116. Con esta disposición, los
chorros 26 generados por las boquillas 24 de inyección de gas no
resultan influidos directamente por el aire secundario 6, de tal
modo que se favorece la acción de transporte de carbón pulverizado
debido a los chorros 26.
La Figura 5 representa una realización adicional
en la cual se utiliza una pluralidad de placas 116 de separación en
vez del disco anular 116 de separación de aire secundario. En esta
realización, están dispuestas las placas 116 de separación de aire
secundario para dividir circunferencialmente el flujo del aire
secundario 6 en cuatro secciones en la periferia exterior del
extremo distal de la salida de la boquilla de mezcla (véanse las
Figuras 6 y 7). Dividiendo el flujo del aire secundario 6 mediante
las placas 116 de separación de aire secundario, el flujo del aire
secundario 6 se mezcla con el gas caliente producido inmediatamente
después del anillo 3 estabilizador de llama en una región aguas
debajo de las placas 116 de separación de aire secundario, de tal
modo que se mejora la capacidad de encendido y estabilización de
llama del anillo 3 estabilizador de llama. Como se muestra en la
Figura 6, en las regiones en que fluye libremente el aire secundario
6 entre las placas 116 de separación de aire secundario, la
cantidad de movimiento del aire secundario 6 es relativamente grande
y, por consiguiente, estas regiones tienen el efecto de favorecer
la separación del flujo del aire secundario 6 de la llama del
quemador. Si el flujo del aire secundario 6 se mezcla con el flujo 1
de carbón pulverizado demasiado pronto en la región del horno 4
dispuesta inmediatamente después de la salida del quemador, no puede
conseguirse una combustión con bajo contenido en óxidos de
nitrógeno (combustión de reducción), y consiguientemente es eficaz
separar la llama del quemador del flujo del aire secundario 6.
Como se muestra en la Figura 8, puede utilizarse
una disposición en la cual las placas 116 de separación de aire
secundario están inclinadas un ángulo predeterminado con respecto al
eje de la boquilla 2 de mezcla, y se solapan entre sí en la
dirección circunferencial. Con esta disposición, se forma un espacio
a modo de rendija entre dos placas 116 adyacentes cualesquiera. El
aire secundario 6 se inyecta desde estos espacios en el interior
del horno. En este caso, aunque la cantidad de movimiento del aire
secundario 6 inyectado desde las rendijas es pequeña en comparación
con la del aire secundario 6 inyectado en el horno a través de los
espacios formados entre las placas 116 de la Figura 7, puesto que el
aire secundario es suministrado al horno en forma laminar, se
realiza la refrigeración de las placas 116 de separación de aire
secundario evitándose adicionalmente los depósitos de ceniza en las
mismas.
Como se muestra en la Figura 9, en esta
realización cada una de las boquillas 24 de inyección de gas tiene
dos aberturas redondas (circulares) o agujeros 25 formados a través
de una pared periférica de una porción de extremo distal de la
boquilla que tiene un extremo distal cerrado, estando dispuestas las
dos aberturas 25 adyacentes entre sí en la dirección longitudinal.
La cantidad de gas inyectado desde las aberturas 25 es del 2% de la
cantidad del aire principal.
Las Figuras 10 a 12 representan aberturas
modificadas 25. La abertura 25 puede estar formada en un extremo
distal de una boquilla acodada (figura 10). La abertura 25 de forma
oval, que tiene un eje mayor que se extiende paralelamente o
perpendicularmente al eje de la boquilla, puede estar formada a
través de una pared periférica de una porción de extremo distal de
la boquilla que tiene un extremo distal cerrado (Figuras 11 a 12).
Formando una guía 28 en el borde periférico de la abertura 25 como
se muestra en la Figura 13, puede aumentarse la fuerza de inyección
del gas desde la abertura 25.
Las boquillas 24 de inyección de gas pueden
desplazarse en la dirección A (figura 14) del eje del quemador, de
modo que la distancia entre la abertura 25 de inyección de cada
boquilla 24 de aire y la salida del quemador en la dirección del
eje del mismo (es decir, la distancia desde la abertura 25 de
inyección al anillo 3 estabilizador de llama) puede modificarse de
acuerdo con la naturaleza del combustible, las condiciones de
combustión de carga del quemador, el número de etapas de quemadores
dispuestos en el horno de combustión, etc. Cada una de las
boquillas 24 de inyección de gas puede girarse en una dirección
circunferencial B (Figura 14) alrededor de su eje para modificar la
dirección de inyección del gas. Por ejemplo, cuando se utiliza
carbón con alta relación de combustible o carbón pulverizado de
grano grueso, que no es tan excelente en lo que respecta a las
propiedades de encendido y estabilización de llama, es eficaz
dirigir los chorros desde las boquillas 24 de inyección de
\hbox{gas hacia el lado aguas arriba de la boquilla 2 de
mezcla.}
Se describirán con referencia a las Figuras 15 y
16 los efectos de estabilización de la llama relacionados con los
chorros de gas.
Están presentes flujos A de circulación de gas
caliente en una región aguas abajo del anillo 3 estabilizador de
llama dispuesto en la porción de salida de la boquilla 2 de mezcla,
y favorecen el encendido del combustible y la estabilización de la
llama en la región próxima al anillo 3 estabilizador de llama. En
una disposición constructiva convencional ilustrada en la Figura
15, en la cual no está dispuesta ninguna boquilla 24 de inyección
de gas, se forma una gran región C sin encendido dentro de la región
B de encendido. Por otra parte, en la realización del invento
ilustrada en la Figura 16, los chorros 26 de aire inyectados,
respectivamente, por las boquillas 24 de inyección de gas hacia la
porción central de la boquilla 2 de mezcla, consiguen la acción de
transporte de gas caliente, y consiguientemente parte de los flujos
A de circulación fluye a lo largo de los chorros 26 de aire en el
interior del fluido 1 de mezcla (flujo de carbón pulverizado), de
modo que se mejoran las prestaciones de encendido y estabilización
de llama en dicha región.
Por consiguiente, en esta realización, la región
C de ausencia de encendido se hace más pequeña en comparación con
la disposición constructiva convencional, y la temperatura de la
llama en la región de reducción sube relativamente, de modo que se
mejora la tasa de reducción de óxidos de nitrógeno. Adicionalmente,
las turbulencias del fluido 1 de mezcla son aumentadas por los
chorros 26 de aire, y esto es eficaz para mejorar la tasa de
combustión después del encendido.
Con el fin de potenciar la reducción de óxidos
de nitrógeno, es eficaz reducir suficientemente dichos óxidos para
su transformación en nitrógeno molecular en la llama de reducción de
alta temperatura, y cargar a continuación el aire de combustión en
una cantidad correspondiente al déficit, completándose así la
combustión. Por consiguiente, se requiere separar el aire terciario
9 de la llama.
En relación con esto, el ángulo e de
inclinación de la guía 11 y la relación dimensional r2 = f/g (véase
la Figura 3) son importantes, donde f representa un ancho de
inclinación de la guía 11 perpendicular al eje del quemador, y
g representa la distancia entre una abertura de la garganta
124 de quemador (que está dispuesta en un extremo de inicio de su
superficie inclinada, y es paralela al eje del quemador) y una
porción del manguito secundario 118 paralela al eje del quemador.
El ángulo e de inclinación de la guía 11 es el ángulo de
inclinación de su porción de extremo distal acampanada con respecto
al eje del quemador.
Si el ángulo e de inclinación de la guía
11 es demasiado grande, el flujo 1 de carbón pulverizado en la
boquilla 2 de mezcla no puede mezclarse satisfactoriamente con el
flujo del aire secundario 6, y consiguientemente el ángulo e
de inclinación está comprendido preferiblemente entre 35 grados y 55
grados. El ángulo h de inclinación de la porción inclinada
de la garganta 124 de quemador, dispuesta en la porción de salida
del quemador, con respecto al eje del quemador, está comprendido
preferiblemente entre aproximadamente 35 grados y aproximadamente
55 grados.
Si los ángulos e y h de
inclinación son ambos demasiado grandes, el aire terciario se separa
demasiado de la llama del quemador obtenida como resultado de la
combustión del carbón pulverizado, y la mezcla no puede realizarse
satisfactoriamente, de modo que no puede obtenerse una llama de
combustión estable. Si los ángulos e y h de
inclinación son ambos demasiado pequeños, no puede conseguirse
satisfactoriamente el efecto de separación de la llama del quemador
del flujo del aire terciario 9, y se suministra el flujo del aire
terciario 9 en una cantidad excesiva a la llama del quemador, de
modo que no puede conseguirse la combustión con bajo contenido en
óxidos de nitrógeno del combustible de carbón pulverizado.
Preferiblemente, la relación dimensional r2 =
f/g está comprendida entre 0,5 y 1, ambos inclusive. Si f/g es
menor que 0,5, no puede conseguirse el efecto de separación de la
llama del flujo del aire terciario 9, y si f/g es mayor que 1, el
flujo del aire terciario 9 incide sobre la guía 11 y no puede fluir
eficazmente dentro del horno 4.
Por consiguiente, en esta realización, el ángulo
e de inclinación de la guía 11 está fijado en 45 grados, y
el ángulo h de inclinación de la porción inclinada de la
garganta 124 del quemador, dispuesta en la porción de salida del
quemador, con respecto al eje del quemador, está fijado en 45
grados, y la relación dimensional r2 = f/g está ajustada a 0,8.
Las aberturas 25 de inyección de gas pueden
tener cualquier forma adecuada siempre que no sea mayor que 1 la
relación r3 = a/b (figura 17) entre una longitud a de la
abertura 25 en la dirección del eje de la boquilla 24 de inyección
y una longitud b de la abertura 25 en la dirección del
diámetro de la boquilla 24 de inyección. Por ejemplo, la abertura
25 puede ser rectangular como se muestra en la Figura 18.
Disponiendo las aberturas 25 de inyección de modo que satisfagan la
condición de que r3 sea mayor o igual que 1, se consigue la ventaja
de que los chorros 25 pueden llegar a la porción central del
quemador sin que resulten muy influidos por el flujo del fluido 1
de mezcla.
En caso de que estén formadas dos o más
aberturas 25 de inyección en la boquilla 24 de inyección (Figura
19), se prefiere que la distancia X entre los ejes de las aberturas
25 de inyección no sea mayor que 2,5 veces el diámetro R de la
abertura 25. Si las dos aberturas de inyección de gas están
demasiado separadas entre sí, se forman dos chorros independientes.
Por otra parte, si la relación X/R es menor o igual que 2,5,
entonces dos chorros muy próximos entre sí se combinan en un chorro
inmediatamente después de los dos chorros inyectados por las
aberturas 25, respectivamente, y consiguientemente no es necesario
aumentar la velocidad de flujo del gas de inyección, y además el
chorro es inyectado desde una abertura de inyección aparentemente
grande, y puede generarse un chorro que tiene una gran fuerza de
penetración.
Cuando no se utilizan menos de dos aberturas de
inyección y el diámetro de abertura aparente de la abertura de
inyección se aumenta sin modificar la velocidad de flujo del gas
inyectado desde cada abertura de inyección, puede aumentarse la
fuerza de penetración del chorro de gas. Cuando se aumenta el número
de aberturas de inyección, mientras se mantiene constante la suma
de las áreas de las aberturas de inyección, con el fin de aumentar
el diámetro aparente, el número de las aberturas de inyección no
está limitado. En tal caso, preferiblemente, las múltiples
aberturas de inyección están dispuestas a lo largo de la longitud de
la boquilla de inyección de gas (es decir, en la dirección del eje
de la boquilla), de modo que los chorros de gas no experimentarán
mucha resistencia debido al flujo del fluido de mezcla.
Cuando la velocidad de flujo del gas inyectado
por la abertura de inyección de gas no es menor que tres veces la
velocidad de flujo del fluido de mezcla, los chorros de gas
inyectados por las aberturas de inyección de gas respectivas entran
en el flujo del fluido de mezcla hacia su posición central con la
suficiente fuerza de penetración, reduciéndose así efectivamente la
región de ausencia de encendido de la llama.
En una realización adicional de un quemador de
acuerdo con el invento ilustrada en la figura 20, un manguito
secundario 118 y un manguito terciario 120 están redondeados o
curvados en sus porciones de esquina en su configuración de sección
transversal. Con esta disposición constructiva, el aire secundario 6
y el aire terciario 9 pueden ser suministrados al horno sin
experimentar pérdida de presión por la presencia del manguito
secundario 118 y el manguito terciario 120, y la velocidad de flujo
necesaria de los flujos de aire de combustión puede obtenerse con
una pérdida de presión mínima.
En este quemador, no es necesario disponer el
amortiguador sobre el manguito secundario 118, y la relación de
suministro del aire secundario 6 al aire terciario 9 se ajusta
mediante una resistencia 10 de aire terciario.
En el quemador de la Figura 20, se suministra
aire de combustión a alta velocidad a una región que rodea al flujo
de carbón pulverizado, y también las partículas de carbón
pulverizado se reúnen en la proximidad de una superficie periférica
interior de una boquilla 2 de mezcla, y consiguientemente se
consiguen con mayor eficacia el encendido del quemador y la función
de estabilización de llama.
Claims (7)
1. Un quemador de combustión que comprende una
boquilla (2) de mezcla que define un paso de fluido de mezcla a
través del cual fluye hacia un horno (4) un fluido (1) de mezcla que
contiene combustible sólido en polvo y aire primario como gas de
transporte para transferir dicho combustible sólido; un paso (6) de
gas que rodea dicha boquilla (2) de mezcla, a través del cual fluye
aire secundario; y un anillo (3) estabilizador de llama dispuesto
en el extremo distal de dicha boquilla (2) de mezcla, que tiene una
porción de pared interior radial que sobresale perpendicularmente
en el interior de la boquilla (2) de mezcla y una porción de pared
exterior radial que sobresale en el interior del paso (6) de gas;
caracterizado porque la porción de pared periférica exterior
del anillo (3) estabilizador de llama tiene una sección transversal
en forma de L, que comprende la porción de pared interior radial y
una porción tubular que se extiende aguas abajo con respecto al
flujo, y porque en el extremo distal de dicha porción tubular está
fijado un disco (116) de separación exterior que separa el aire
secundario de la llama del quemador y mezcla el aire secundario con
el gas caliente inmediatamente aguas abajo del anillo (3)
estabilizador de llama.
2. Un quemador de combustión de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el disco (116) de
separación exterior comprende una pluralidad de placas separadoras
que dividen el flujo de aire secundario en secciones en la
periferia exterior de la abertura de salida de la boquilla (2) de
mezcla.
3. Un quemador de combustión de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado
porque el disco (116) de separación exterior comprende una
pluralidad de placas separadoras que están inclinadas formando un
ángulo predeterminado con el eje de la boquilla (2) de mezcla y se
solapan entre sí en la dirección circunferencial, en cuya
disposición se forman espacios a modo de rendijas entre cada dos
placas adyacentes.
4. Un quemador de combustión de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque está dispuesta una pluralidad de boquillas (24) de inyección
aguas abajo del disco (116) de separación exterior, donde los
chorros (26) de aire de dichas boquillas (24) de inyección están
dirigidos hacia el centro de las boquillas (2) de mezcla.
5. Un quemador de combustión de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque la boquilla (2) de mezcla está provista de un dispositivo
(114) de ajuste para concentrar el flujo de partículas de carbón en
la región próxima al anillo (3) estabilizador de llama.
6. Un quemador de combustión de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo (114)
de ajuste de concentración está montado en la boquilla (2) de mezcla
que tiene porciones de extremo con conicidad en el lado aguas
arriba y en el lado aguas abajo y una porción central cilíndrica
dirigida en paralelo con la superficie periférica interior de la
boquilla (2) de mezcla.
7. Un quemador de combustión de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque está formado un dispositivo Venturi (112) en una superficie
periférica interior de la boquilla (2) de mezcla para ajustar una
distribución de concentraciones de las partículas de carbón
pulverizado en el flujo de mezcla, y aumentar esta concentración en
la región próxima al anillo (3) estabilizador de llama.
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