ES2271391T3 - Un quemador para calentamiento de proceso que produce emisiones ultra bajas de oxidos de nitrogeno (nox). - Google Patents
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Abstract
Un quemador de emisión ultra baja de NOx para ca- lentamiento de proceso, incluyendo: a) un estabilizador de llama a base de fluido que puede proporcionar una llama pobre en combus- tible en relación de equivalencia en el rango de phi = 0, 05 a phi = 0, 3; y b) una pluralidad de lanzas de escalonamiento de combustible (24, 24a-24g'') rodeando dicho es- tabilizador de llama, incluyendo cada lanza indicada (24, 24a-24g'') un tubo que tiene una boquilla de escalonamiento (26) en su extremo de combustión, teniendo cada lanza (24, 24a- 24g'') al menos un agujero (28) para inyección escalonada de combustible, teniendo cada agu- jero (28) un ángulo de divergencia radial y un ángulo de divergencia axial; caracterizado porque dicho al menos un agujero (28) y dichos ángulos de divergencia están adaptados para proporcionar cobertura circun- ferencial completa de la llama pobre en com- bustible, por lo que se generan emisiones de NOx de menos de 9 ppmv en condiciones casi es- tequiométricas.
Description
Un quemador para calentamiento de proceso que
produce emisiones ultra bajas de óxidos de nitrógeno (NOx).
La presente invención se refiere a un quemador
de combustible gaseoso para calentamiento de proceso. En particular,
la presente invención se refiere a un quemador para calentamiento
de proceso que produce emisiones ultra bajas de óxidos de nitrógeno
(NOx).
Las industrias de gran consumo de energía se
están enfrentando a retos crecientes en el cumplimiento de las
normas sobre emisiones de NOx únicamente con equipo quemador. Estos
quemadores suelen usar gas natural como un combustible debido a su
combustión limpia y bajas emisiones generales. Los fabricantes de
quemadores industriales han mejorado el diseño de los equipos de
quemador para producir emisiones ultra bajas de NOx y les dan el
nombre genérico de "Quemadores de baja emisión de NOx" (LNBs) o
varios nombres comerciales. La tabla I (fuente: North American Air
Pollution Control Equipment Market, Frost & Sullivan) expone la
parte de mercado de los LNB en la industria para el año 2000. El
objetivo de los nuevos quemadores son los sectores industriales que
tienen mayor necesidad de LNBs en base a la región geográfica y
normas locales de emisiones a la atmósfera.
Como expone la tabla I, las empresas de
servicios públicos y las refinerías (industrias químicas y del
petróleo) utilizan la mayor parte de los quemadores de baja emisión
de NOx. Estos quemadores se usan en calderas industriales,
calentadores de crudo y proceso (hornos atmosféricos y de vacío) y
reformadores de hidrógeno (reformadores de metano vapor).
Los óxidos de nitrógeno (NOx) están entre los
principales contaminantes del aire emitidos por los procesos de
combustión. Se ha identificado que las emisiones de NOx contribuyen
a la degradación del entorno, en particular degradación de la
calidad del aire, formación de smog (pobre visibilidad) y lluvia
ácida. Como resultado, los diversos organismos gubernamentales
están imponiendo normas sobre calidad del aire, que limitan la
cantidad de gases NOx que pueden ser emitidos a la atmósfera.
Los objetivos primarios de los procesos de
combustión relacionados con lo anterior son (1) disminuir los
niveles de emisiones de NOx a < 9 partes por millón por volumen
(ppmv) y (2) mejorar la uniformidad de la transferencia de calor y
la eficiencia de combustión generales de calentadores de proceso,
calderas y hornos industriales. Por ejemplo, en el sur de
California, para calentadores de proceso con una capacidad de
combustión superior a 21,1 GJ/h (20 MM Btu/h) se requiere que las
emisiones de NOx sean inferiores a 7 ppmv y que la corriente de
gases de escape de los calentadores de proceso sea ventilada a una
unidad de reducción catalítica selectiva (SCR). Actualmente, esto
solamente es posible usando mejor tecnología de control disponible
tal como un sistema SCR. Los sistemas SCR usan postratamiento de
los gases de combustión por reacción de amoníaco en presencia de un
catalizador para convertir NOx en nitrógeno. Además, la ley de
California también requiere un intervalo de temperatura fijo
(315,6°C a 426,7°C) (600°F a 800°F) para una eficiencia de
extracción de NOx >90% así como la prevención de deslizamiento
de amoníaco inferior a 5 ppmv. Una unidad SCR típica para un
calentador de proceso de 105,5 GJ/h (100 millones de Btu/h)
costaría aproximadamente \textdollar700.000 en costos de capital
con costos operativos anuales de \textdollar200.000. Véase, por
ejemplo, la tabla 2 de R. K. Agrawal y S.C. Wood,
"Cost-Effective NOx Reduction", Chemical
Engineering, Febrero 2001.
Los costos anteriores crean un costo más alto a
los operadores de hornos/plantas de proceso o a los proveedores de
servicios. Generalmente, los costos del control de emisiones son
transferidos al público en forma de costos de producción generales
más altos, impuestos locales y/o tarifas de uso. Así, las empresas
de producción de energía eléctrica y las plantas de proceso buscan
tecnologías de reducción de NOx de costo más razonable que
controlarían las emisiones de NOx de la fuente y no requieren
postratamiento de los gases de escape después de que ya se han
formado NOx.
Con el fin de cumplir a un costo razonable las
normas sobre emisiones de NOx, muchos fabricantes de equipos de
combustión han desarrollado LNBs. Véase, por ejemplo, D. Keith
Patrick, "Reduction and Control of NOx Emissions from High
Temperature Industrial Processes", Industrial Heating, marzo
1998. El costo razonable de un LNB en comparación con el sistema
SCR dependería en general del tipo de quemador, emisiones
sistemáticas de NOx del quemador, costos del quemador y niveles de
cumplimiento locales. En muchas zonas de conservación del ozono,
los LNBs (para >42,2 GJ/h (40 MM Btu/h) no han sido capaces de
producir emisiones de NOx suficientemente bajas para cumplir las
normas o proporcionar una alternativa a las unidades SCR. Por lo
tanto, SCR sigue siendo hoy día la mejor tecnología de control
disponible para grandes calentadores de proceso y calderas de
centrales.
El mayor reto al diseñar un quemador de baja
emisión de NOx es mantener sistemáticamente las emisiones de NOx al
nivel inferior a 9 ppmv o comparable a emisiones de NOx en la salida
del sistema SCR. La técnica anterior incluye quemadores de emisión
baja o ultra baja de NOx que producen bajas emisiones de NOx usando
varias técnicas de mezcla de combustible/oxidante, técnicas de
escalonamiento de combustible/oxidante, recirculación de gases de
escape, variaciones estequiométricas, oscilaciones de fluido,
recombustión de gases y varias modificaciones del proceso de
combustión. Sin embargo, la mayoría de los quemadores son incapaces
de producir emisiones de NOx inferiores a 9 ppmv y los que así lo
hacen en laboratorio, no pueden reproducir tales niveles de NOx en
una posición industrial. Las razones técnicas o los retos al diseñar
un quemador de baja emisión de NOx inferior a 9 ppmv serán
evidentes como se describe más adelante.
La mayoría de los quemadores industriales de
combustión de combustible gaseoso de gran capacidad usados para
aplicaciones de calentamiento de proceso son quemadores del tipo de
mezcla en boquilla. Como implica el nombre, el combustible gaseoso
y el aire de combustión no se mezclan hasta que salen de varios
orificios de combustible/oxidante de este tipo de quemador. Las
principales ventajas de los quemadores de mezcla en boquilla sobre
los quemadores de premezcla son: (1) las llamas no pueden
retroceder, (2) un rango más amplio de estequiometría operativa; y
(3) mayor flexibilidad en el diseño del quemador/llama. Sin embargo,
la mayoría de los quemadores de aire-combustible
mezclados en boquilla requieren algún tipo de dispositivo de
sujeción/retención de llama para mantener la estabilidad de la
llama. Un quemador genérico de mezcla en boquilla de la técnica
anterior se representa en la figura 1, donde se usa un disco
metálico de retención de llama para proporcionar estabilidad de la
llama. Aquí, el aire de combustión es inducido
rodeando el tubo principal de combustible con el retén de llama en una envuelta de quemador del tipo de caja grande.
rodeando el tubo principal de combustible con el retén de llama en una envuelta de quemador del tipo de caja grande.
El quemador ejemplar de la figura 1 también usa
combustible de escalonamiento para combustión secundaria con el fin
de reducir la formación general de NOx. Sin embargo, para los
procesos de combustión escalonados satisfactorios, es muy
importante tener una llama primaria estable unida al soporte de
llama. La figura 2 representa una geometría de soporte de llama
típica en la que una boquilla de combustible de agujeros múltiples
está situada en el centro y se usan varias ranuras perforadas en el
exterior del disco cónico de soporte de llama para pasar a través
una pequeña cantidad de aire de combustión para mezcla con el
combustible inyectado. El soporte de llama en forma de cuerpo de
farol crea una inversión de la corriente de aire como se representa
en la figura 2. La corriente de aire en dirección contraria crea
una condición casi estancada (velocidad axial cero) para la mezcla
de aire combustible en el interior de la cavidad del cono de soporte
de llama. Esta mezcla estancada de aire-combustible
casi sin componente de velocidad positivo del eje de combustión se
usa para unir la llama principal a la base del soporte de
llama.
Se usan soportes de llama de varias
configuraciones de agujeros y formas externas (cónica, disco
perforado, aro, etc) para fijar llamas. Por ejemplo, la Patente de
Estados Unidos número 5.073.105 (Martin y colaboradores) y la
Patente de Estados Unidos número 5.275.552 (Schwartz y
colaboradores) describen dispositivos quemadores de baja emisión de
NOx donde se usan tales soportes de llama para fijar la llama. En la
Patente de Estados Unidos número 5.073.105, un combustible primario
(30-50% del combustible total) es inyectado
radialmente hacia dentro sobre el disco de soporte de llama con
arrastre de gases de escape (a través de un agujero en la losa del
quemador) para fijar la llama primaria. El combustible secundario
restante es inyectado rodeando e impactando la superficie del
bloque quemador externo (losa) para escalonamiento de combustible y
recirculación de gases de horno. La mezcla de aire de combustión
con el combustible primario tiene lugar dentro del bloque quemador
sobre el soporte de llama y se forman algunos NOx debido a volumen
limitado de disipación de calor dentro de la cavidad del bloque
quemador y debido a la creación de regiones localmente ricas en
combustible.
Se utiliza un acercamiento muy similar que
implica soporte de llama, inyección de combustible primario y de
combustible secundario, en la Patente de Estados Unidos número
5.275.552. Aquí, el gas primario, con gas de horno arrastrado a
través de agujeros en la losa del quemador, se arremolina en la
cavidad del bloque quemador para mejor mezcla. La mezcla
arremolinada de combustible primario/gases de combustión permite una
mejor fijación de la llama en la superficie de soporte de
llama.
Una desventaja principal asociada con soportes
de llama para uso en quemadores de emisión ultra baja de NOx son
las zonas estancadas localizadas de combustión rica en combustible
que se fijan en general en la base interior de un cono de soporte
de llama o disco. Estas zonas están situadas en las crestas sólidas
entre ranuras/agujeros de aire adyacentes debidas a condiciones de
presión creadas por la corriente de aire exterior. Las mezclas
ricas en combustible o subestequiométricas que se encuentran en la
base del soporte de llama para estabilidad de la llama son por
desgracia ideales para formación de enlaces C-N a
través de la reacción CH + N_{2} = HCN + N. La posterior oxidación
de HCN da lugar a la pronta formación de NO derivada del soporte de
llama.
Otra desventaja principal asociada con los
soportes de llama para uso en quemadores de emisión ultra baja de
NOx es la limitada estabilidad de la llama si el mismo quemador
opera a una mezcla de combustible sumamente pobre para evitar la
rápida formación de NO. La relación de equivalencia general (phi) se
limita a 0,2 a 0,4 para la mayoría de los quemadores basados en
soporte de llama.
Finalmente, una tercera desventaja principal
asociada con soportes de llama para uso en quemadores de emisión
ultra baja de NOx es que el sobrecalentamiento o la oxidación
térmica de los soportes de llama es bastante común debido a
fijación de llama a alta temperatura, atmósfera reductora localizada
y formación de incrustaciones en la base de soporte, y daño por
radiación del horno cuando hay una interrupción del suministro de
aire de combustión al soporte metálico de la llama. Se han
realizado varios intentos con el fin de superar las desventajas
anteriores de los soportes de llama. Véase, por ejemplo, las
Patentes de Estados Unidos números 5.195.884 (Schwartz y
colaboradores), 5.667.376 (Robertson y colaboradores), 5.957.682
(Kamal y colaboradores) y 5.413.477 (Moreland). Estos dispositivos
usan combustión de premezcla ligera o mezcla de gases de combustión
recirculados (FGR) en lugar de usar un dispositivo de soporte de
llama (por ejemplo, la Patente de Estados Unidos número 6.027.330
(Lifshits)). Sin embargo, los problemas de retroceso y rango
limitado de estabilidad de la llama para los quemadores de
premezcla (o para quemadores FGR) no ofrecen una solución completa
en términos de estequiometría ampliada, facilidad de operación,
operación de bajo costo y operación con combustible sumamente pobre
(phi < 0,1) necesarias para lograr un rendimiento de emisión
ultra baja de NOx (por ejemplo, < 5 ppmv). La falta de
estabilidad de la llama es especialmente perjudicial durante el
arranque/calentamiento de un calentador/horno de proceso. En un
horno frío, los quemadores con limitada estabilidad de la llama
pueden experimentar apagado de la llama, creando por ello un
peligro y retardando la producción. Un remedio podría ser usar un
segundo conjunto de quemadores especialmente diseñados para
condiciones de calentamiento, lo que puede ser costoso además de
precisar mucha mano de obra.
Un quemador NOx adicional para un horno y el
método de operar el quemador se conoce por la Patente de Estados
Unidos número 4.505.666. El quemador NOx tiene una zona de
combustión primaria y secundaria donde se suministra combustible
escalonado y aire a ambas zonas de combustión. Aproximadamente de 40
a 60% del combustible de hidrocarbono líquido o gaseoso junto con
aproximadamente 90% del aire total requerido se quema en la primera
zona de reacción que es una zona central. El combustible restante
junto con el 10% restante del aire total requerido se quema en una
o más zonas de reacción secundarias junto a la zona central. El
quemador de la Patente de Estados Unidos número 4.505.666 es un
quemador de baja emisión de NOx no adecuado para operar por debajo
de 20 ppm NOx, que es no suficientemente baja.
La presente invención se refiere a un quemador
de combustible gaseoso de emisión ultra baja de NOx para
aplicaciones de calentamiento de proceso tal como calderas de
servicios, calentadores de proceso y hornos industriales. El nuevo
quemador utiliza dos procesos escalonados dependientes únicos para
generar una llama no luminosa, uniforme y de llenado de espacio de
combustión con emisiones de NOx sumamente bajas (< 9 ppmv). Esto
se lleva a cabo usando: (1) un estabilizador de llama tal como un
dispositivo de torbellino a gran escala situado hacia arriba para
generar una llama de baja tasa de combustión, bien mezclada, a baja
temperatura, y combustible altamente pobre (phi 0,05 a 0,3) para
mantener la estabilidad general de la llama, y (2) múltiples lanzas
de combustible uniformemente espaciadas y divergentes situadas hacia
abajo para inyectar combustible equilibrado en varios chorros
turbulentos dentro del espacio del horno para crear recirculación
masiva interna de gases de escape. La llama resultante proporciona
varias características beneficiosas tales como nula radiación
visible, transferencia uniforme de calor, temperaturas inferiores
de la llama, liberación de calor que llena el espacio de combustión
y producción de emisiones ultra bajas de NOx.
En la presente invención se facilita un quemador
de emisión ultra baja de NOx para calentamiento de proceso que
incluye un estabilizador de llama a base de fluido que proporciona
una llama pobre en combustible en una relación de equivalencia en
el rango de phi = 0,05 a phi = 0,3 y lanzas de escalonamiento de
combustible rodeando el estabilizador de llama, teniendo cada lanza
un tubo que tiene una boquilla de escalonamiento en su extremo de
combustión, teniendo cada lanza al menos un agujero para inyección
escalonada de combustible, y teniendo cada agujero un ángulo de
divergencia radial y un ángulo de divergencia axial por lo que el al
menos único agujero y los ángulos de divergencia están adaptados
para proporcionar cobertura circunferencial completa de la llama
pobre en combustible. El quemador genera emisiones de NOx de menos
de 9 ppmv en condiciones casi estequiométricas.
En otra realización, el al menos único agujero y
los ángulos de divergencia están adaptados para proporcionar una
configuración de llama plana. En una tercera realización, el al
menos único agujero y los ángulos de divergencia están adaptados
para proporcionar una configuración de llama de conformación de
carga.
Preferiblemente, se usan entre 4 y 16 lanzas de
escalonamiento y cada boquilla de escalonamiento tiene entre 1
agujero y 4 agujeros. Preferiblemente el ángulo de divergencia
radial es entre 8° y 24° y el ángulo de divergencia axial es entre
4° y 16°. La velocidad de combustible que sale de la boquilla es
preferiblemente de entre 91,44 m/s a 274,32 m/s (300 a 900 pies por
segundo) para un combustible de escalonamiento de gas natural.
La distancia desde el extremo delantero del
quemador a un punto donde tiene lugar la mezcla de la llama de
escalonamiento y la llama del estabilizador de llama es
preferiblemente aproximadamente 0,2032 m a 1,2192 m (8 a 48
pulgadas). Finalmente, la tasa de combustible del escalonamiento
para combustible de gas natural es de 70% a 95% de la tasa de
combustión total de combustible del quemador.
El estabilizador de llama es preferiblemente un
dispositivo de torbellino a gran escala donde la llama tiene una
temperatura de llama máxima de menos de aproximadamente 1093°C
(2000° Fahrenheit). La relación de equivalencia para el
estabilizador de llama es preferiblemente del rango de phi = 0,05 a
phi = 0,1.
El quemador puede incluir un bloque quemador
coaxial al estabilizador de llama. Preferiblemente, el bloque
quemador es de forma cilíndrica o ligeramente cónica o
rectangular.
La figura 1 es una vista en alzado lateral
simplificada de un quemador de aire-combustible de
la técnica anterior con un soporte de llama.
La figura 2 es una vista en alzado lateral
simplificada de un soporte de llama de la técnica anterior para un
quemador de aire-combustible.
La figura 3 es una vista en alzado lateral
simplificada de un estabilizador de llama de torbellino a gran
escala basado en fluido para uso con un quemador de emisión ultra
baja de NOx de la presente invención.
La figura 4A es una representación gráfica de
emisiones de NOx en función de la temperatura media de la llama.
La figura 4B es una representación gráfica de
emisiones de NOx en función del oxígeno excedente en los gases de
escape.
La figura 5A es una vista en alzado lateral
simplificada de un quemador de emisión ultra baja de NOx en una
configuración de escalonamiento circular según la presente
invención.
La figura 5B es una vista de extremo
simplificada, de combustión delantera, de un quemador de emisión
ultra baja de NOx en una configuración plana de escalonamiento
según la presente invención.
La figura 5C es una vista de extremo
simplificada, de combustión delantera, de un quemador de emisión
ultra baja de NOx en otra configuración plana de escalonamiento
según la presente invención.
La figura 6 es una vista frontal y lateral
simplificada de boquillas de combustible y configuración de la
llama del estabilizador de llama de la figura 3 en combinación con
el quemador de emisión ultra baja de NOx de la figura 5A.
La figura 7A es una vista en sección
transversal, en planta superior, de una boquilla de escalonamiento
de combustible usada en el quemador de la figura 5A.
La figura 7B es una vista en alzado lateral en
sección transversal de la boquilla de escalonamiento de combustible
de la figura 7A.
La figura 7C es una vista lateral derecha de la
boquilla de escalonamiento de combustible de la figura 7B.
La figura 8 es una vista en alzado lateral
simplificada del quemador de la figura 5A ilustrando la interacción
de una llama de combustible del estabilizador de llama y una llama
de combustible de escalonamiento.
La figura 9 es una representación gráfica de
emisiones de NOx con respecto a oxidante/oxígeno en condiciones
diluidas.
La figura 10 es una representación gráfica de
mediciones en laboratorio de un quemador llama usando un pirómetro
de aspiración que ilustra la temperatura de la llama en función de
la distancia radial.
La figura 11A a la figura 11D son ilustraciones
esquemáticas de varias configuraciones de escalonamiento planas de
quemadores de emisión ultra baja de NOx según la presente invención
comprobadas en un horno de laboratorio.
La figura 12A es una ilustración simplificada de
una configuración de escalonamiento de conformación de carga en una
caldera industrial usando múltiples estabilizadores de llama.
La figura 12B es una ilustración simplificada de
una configuración de escalonamiento de conformación de carga en una
caldera industrial usando un solo estabilizador de llama.
La figura 13A es una ilustración simplificada de
una configuración de caldera de producción de energía de
combustión en pared con filas de estabilizadores y lanzas de
escalonamiento de combustible.
La figura 13B es una ilustración simplificada de
una configuración de caldera de producción de energía de combustión
tangencial con filas de estabilizadores y lanzas de escalonamiento
de combustible.
Con referencia ahora a los dibujos, donde
números análogos se refieren a elementos análogos en todas las
diversas vistas, en la figura 3 se representa un dispositivo para
estabilización de una llama en forma de un dispositivo de
torbellino a gran escala (LSV) 12 para uso con un quemador de
emisión ultra baja de NOx 10 (véanse las figuras 5A y 8) según la
presente invención. El dispositivo LSV 12 está compuesto por un tubo
interior (secundario) de aire u oxidante 14 rebajado dentro de un
tubo de combustible 16, que además se rebaja dentro de un tubo
exterior (primario) de aire u oxidante 18. El oxidante primario (por
ejemplo, aire) se introduce axialmente a velocidad y caudal en
relativamente altos en el anillo exterior de oxidante 20 mientras
que el oxidante secundario (por ejemplo, aire) se dirige a través
del tubo de oxidante secundario 14 a una velocidad y caudal
inferiores. Debido a combustión a alta velocidad preferente en el
anillo exterior de oxidante 20 y una velocidad muy inferior a
través del tubo de oxidante secundario 14, se desarrolla un
desequilibrio de presión alrededor del tubo de oxidante secundario
14. Esto hace que se desarrolle un torbellino a modo de corriente
hacia abajo en el tubo exterior de oxidante 18, como se representa
en la figura 3. La tabla I expone un ejemplo de rangos de velocidad
específicos y relaciones adimensionales para obtener un torbellino a
modo de corriente estable en el tubo de oxidante primario 18. Aquí,
V_{pa} = la velocidad del oxidante primario, V_{f} = la
velocidad del combustible, V_{sa} = la velocidad del oxidante
secundario, D_{f} = el diámetro del tubo de combustible 16,
L_{f} = la distancia entre el extremo delantero del tubo de
combustible 16 y el extremo delantero del tubo de oxidante primario
18, D_{pa} = el diámetro del tubo de oxidante primario 18,
L_{sa} = la distancia entre el extremo delantero del tubo de
oxidante secundario 14 y el extremo delantero del tubo de
combustible 16, y D_{sa} = el diámetro del tubo de oxidante
secundario 14. Los rangos de velocidad media preferidos para
combustible son de aproximadamente 0,610 m/s a 1,829 m/s (2 a 6
pies/segundo), para oxidante primario es 9,144 m/s a 27,432 m/s (30
a 90 pies/segundo) y para oxidante secundario es 4,572 m/s a 13,716
m/s (5 a 45 pies/segundo).
El dispositivo LSV 12 es un estabilizador de
llama a base de fluido que puede proporcionar una llama muy pobre
en combustible a una relación de equivalencia de sólo phi = 0,05. En
esta relación, el aire de combustión es casi 20 veces superior al
flujo de aire teóricamente requerido. La estabilidad LSV de la llama
se mantiene a un flujo alto de aire excedente debido a inversión
del flujo de fluido producida por un torbellino a modo de corriente
que, a su vez, produce recirculación interna de gases de escape y
realiza precalentamiento de la mezcla de aire/combustible y mezcla
intensa de combustible, aire y productos de combustión para crear
condiciones ideales para la estabilidad de la llama. Se ha hallado
que la llama LSV se fija en la punta del tubo de combustible 22, es
decir, su extremo delantero. En la operación normal, la mayor parte
de los componentes internos LSV permanecen a menos de 537,8°C
(1000°F). La operación del dispositivo LSV 12 basada en el principio
de torbellino a modo de corriente lo hace inherentemente más
estable a una tasa de combustión inferior y a relaciones de
equivalencia sumamente bajas. Esto es beneficioso para disminuir las
temperaturas de llama máximas. A una tasa de combustión baja y
estequiometría de combustible sumamente pobre se produce una llama
con temperaturas máximas sumamente bajas (inferiores a 871,7°C
(1600°F) y emisiones de NOx inferiores a 2 a 3 ppmv. Son claras las
menores emisiones de NOx asociadas con temperaturas inferiores de la
llama y la operación de combustible sumamente pobre. Las figuras 4A
y 4B muestran tendencias NOx generales en función de la temperatura
de la llama y oxígeno excedente medido en los gases de escape.
La operación del dispositivo LSV 12 en
condiciones de combustible sumamente pobre para emisiones ultra
bajas de NOx necesita que la combustión del combustible restante
hacia abajo se realice de manera estratégica para completar la
combustión, evitar la formación adicional de NO o CO, y operar el
sistema quemador con un ligero exceso general de oxígeno (2 a 3%)
en los gases de escape.
La figura 5A representa un esquema del quemador
de emisión ultra baja de NOx 10 según la presente invención que
combina dicho dispositivo LSV 12 con lanzas estratégicas de
escalonamiento de combustible 24 en una configuración circular. El
proceso general del quemador se puede describir en tres elementos de
proceso: 1) combustión de combustible sumamente pobre, 2)
torbellino a gran escala para estabilidad de la llama, y 3)
escalonamiento de combustible usando lanzas de combustibles
situadas estratégicamente 24. Como se representa en la figura 5A,
el dispositivo LSV 12 está rodeado en una construcción del tipo de
jaula usando múltiples lanzas de escalonamiento de combustible 24.
Las lanzas 24 son largos tubos de acero con boquillas de
escalonamiento de diseño especial 26 en el extremo de combustión.
Según experimentos de laboratorio, el número óptimo de lanzas de
escalonamiento 24 puede variar de 4 a 16 y cada lanza de
escalonamiento 24 tiene múltiples agujeros divergentes 28 (véanse
las figuras 7A, 7B, y 7C, como se describe más adelante) para
inyección escalonada de combustible. El número de agujeros 28 por
boquilla de escalonamiento 26 puede variar de un solo agujero para
un quemador de menos de 1,055 GJ/h (1 MM Btu/h) a, por ejemplo, 4
agujeros para quemadores de tasa de combustión más alta. El número
de agujeros de escalonamiento 28 y sus ángulos de divergencia (alfa
y beta como se describe más adelante) se elige con el fin de
realizar una cobertura circunferencial completa de la llama LSV para
una configuración circular (véase la figura 5A), una configuración
plana (véanse las figuras 5B y 5C) o para realizar una configuración
de conformación de carga (véanse las figuras 12A y 12B).
La figura 6 representa un esquema para un
quemador de 4,22 GJ/h (4 MM Btu/h) con un bloque quemador de 0,254
m (10 pulgada) de diámetro. Ocho lanzas de escalonamiento de
combustible distribuidas uniformemente 24 (en un radio de círculo
de 0,178 m (7 pulgada) de paso) y dos agujeros divergentes por lanza
de escalonamiento proporcionan una configuración circular. Las
figuras 7A, 7B y 7C muestran un diseño típico de boquilla de lanza
de escalonamiento 26 y geometría de agujeros de escalonamiento 28
(obsérvense los ángulos alfa y beta).
Los agujeros 28 se perforan a un ángulo
compuesto con respecto a dos ejes ortogonales. El objetivo es
distribuir uniformemente combustible de escalonamiento sobre la
envuelta de llama LSV de combustible pobre. La figura 6 representa
cómo una boquilla de dos agujeros 24 instalada en ocho lanzas
colocadas uniformemente del ejemplo anterior, que tiene un ángulo
de divergencia radial alfa = 7° y un ángulo de divergencia axial
beta = 15, puede rodear la llama LSV completamente a una distancia
de X = 0,610 m (24 pulgadas). Esta intersección o distancia de
fusión, X, (véase la figura 6) se ha verificado durante combustión
en laboratorio. La envuelta completa de combustible de
escalonamiento que se diluye de forma significativa con gases de
combustión produce una llama de temperatura muy baja y llenado del
espacio de combustión. El rango preferido para el ángulo alfa es
entre 8° y 24° y para ángulo beta es entre 4° y 16°. Los agujeros 28
varían de tamaño dependiendo del rango de velocidades de inyección
de combustible de escalonamiento. El rango preferido de velocidades
de salida de la boquilla es entre 91,44 m/s a 274,32 m/s (300 a 900
pies por segundo) para combustible de escalonamiento de gas
natural. Para una boquilla de escalonamiento de un solo agujero,
preferiblemente, solamente se usa un ángulo de divergencia axial
alfa. Las velocidades anteriores (o tamaños del agujero de boquilla)
varían dependiendo de la composición del combustible (y valor de
calentamiento) y capacidad de combustión del quemador.
El quemador de emisión ultra baja de NOx
completo con llama LSV hacia arriba y escalonamiento de combustible
hacia abajo se ilustra en la figura 8. También se representan los
varios procesos de combustión. Los varios procesos de llama del
quemador se describen ahora con referencia a la figura 8:
La llama LSV se mantiene sumamente pobre en
combustible (por ejemplo, phi=0,05) y se fija en el tubo de
combustible LSV 16. Esta llama se hace más estable cuando se
incrementa el flujo primario de aire a través del anillo exterior
de oxidante 20 relativamente estrecho. La llama LSV tiene una
temperatura muy baja de llama máxima (inferior a \sim1093°C
(\sim2000° Fahrenheit) y produce emisiones muy bajas de NOx. Esto
es debido a excelente mezcla, prevención de zonas ricas en
combustible para rápida formación de NOx (observada en soportes de
llama tradicionales) y terminación de la combustión general bajo
condiciones de combustible sumamente pobres. El reciclado de gases
de escape en el dispositivo LSV 12 también reduce la temperatura de
la llama debido a dilución del gas producido. La tabla II expone
datos de combustión en laboratorio en el dispositivo LSV 12 bajo
condiciones de combustión de combustible pobre. Aquí, es claro que
el dispositivo LSV 12 produce muy bajas emisiones de NOx a tasas de
combustión bajas y bajo condiciones de combustible sumamente pobres.
Obsérvese que una alta concentración de oxígeno y baja
concentración de CO_{2} indican operación con aire excesivo
acompañada de escape al exterior a través de fisuras de refractario
en el horno de laboratorio.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Además, hay importantes observaciones con
respecto a la llama LSV. El dispositivo LSV 12 se activa
generalmente a relaciones de equivalencia de 0,05 a 0,1. Por
ejemplo, si hay una tasa de combustión total de 4,22 GJ/h (4 MM
Btu/h), el dispositivo LSV 12 quema a 0,422 GJ/h (0,4 MM Btu/h) y se
colocan lanzas de escalonamiento de combustible 24 para inyectar
combustible a 3,80 GJ/h (3,6 MM Btu/h), el dispositivo LSV 12
suministrará entonces aire de combustión total para 4,22 GJ/h (4,MM
Btu/h) o aire a un nivel de 900% para una tasa de combustión de
0,422 GJ/h (0,4 MM Btu/h). En esta condición, la llama LSV es
sumamente de combustible sumamente pobre, se diluye con aire de
combustión, y los productos de combustión de la acción de torbellino
y la temperatura de llama máxima resultante (medida por una sonda
de termopar antes de que los chorros de combustible de
escalonamiento encuentren la llama LSV) son inferiores a 1093,3°C
(2000° Fahrenheit).
Como se puede ver en la figura 6, la distancia
de fusión, X, entre la llama LSV y los chorros de escalonamiento
desde la pared de horno se mantiene a aproximadamente 0,2032 m a
1,2192 m (8 a 48 pulgadas) del extremo del quemador y esta
distancia depende de la tasa de combustión del quemador y ángulo de
divergencia del combustible de escalonamiento (beta). Para una tasa
de combustión total de 4,22 GJ/h (4 MM Btu/h), la distancia de
fusión medida era aproximadamente 0,610 m (24 pulgadas). Esta
distancia es crítica al mantener la llama libre de radiación
visible, proporcionar características de llenado de espacio de
combustión, tener bajas temperaturas de llama máximas, y producir
emisiones ultra bajas de NOx.
La dilución de aire de combustión usando
productos de combustión LSV también es muy importante para reducir
la disponibilidad localizada de oxígeno. Por ejemplo, si se mezclan
1019,59 m^{2}/h (36.000 scfh) de aire de combustión (a
temperatura ambiente) con productos de combustión a aproximadamente
815,5°C (1500°F) de un dispositivo LSV 12 que quema a una tasa de
combustión de 0,422 GJ/h (0,40 MM Btu/h), hay una dilución
localizada de aire de combustión. Además, la concentración de
oxígeno en el aire de combustión disminuye de aproximadamente 21% a
19%. Esta reducción de la disponibilidad de oxígeno (que puede ser
más alta localmente debido a expansión volumétrica de gas) puede
reducir más las emisiones de NOx cuando el combustible de
escalonamiento ya diluido reacciona con el aire precalentado de la
concentración de oxígeno reducida. Este efecto doble de la dilución
de combustible y la dilución de aire se explican a continuación bajo
la configuración de escalonamiento circular.
Las temperaturas máximas de la llama espaciosa
tienen lugar fuera de la región de núcleo central de la llama
general. El perfil de temperatura es una reflexión de la
configuración de escalonamiento circular y las temperaturas más
bajas están en la región de núcleo debido a productos de combustión
LSV pobres en combustible. Durante mediciones en laboratorio (a
temperatura del horno de 871,7°C (1600°F), a una capacidad de
combustión de 4,22 GJ/h (4 MM Btu/h), las temperaturas de llama
máximas nunca excedieron de 1148,9°C (2100° Fahrenheit) en
cualquier sección transversal a lo largo de la longitud del
horno.
Como se representa en la figura 8, el
escalonamiento de combustible se realiza usando una configuración de
escalonamiento circular con múltiples lanzas divergentes 24
instaladas alrededor del dispositivo LSV 12 o el bloque quemador 17
exterior. Los chorros de combustible son inyectados en el espacio
del horno usando boquillas 26 con agujero de geometría específica.
Véanse las figuras 7A, 7B, y 7C.
En este método de escalonamiento de combustible,
la combustión resultante (superior a la temperatura de
autoencendido) se controla por cinética química y por la mezcla de
chorros de combustible con los gases de horno y oxidante. El
contenido de carbono en la molécula de combustible es llevado a
oxidación completa con la corriente de oxidante diluida en lugar
del hollín pirolítico que forma reacciones de un frente de llama
tradicional. Se supone aquí que la combustión tiene lugar en dos
etapas. En la primera etapa, el combustible se convierte en CO y
H_{2} en condiciones de dilución ricas en combustible. Aquí, la
dilución suprime las temperaturas de llama máximas y la formación
de especies de hollín, que de otro modo producirían una llama
luminosa. En la segunda etapa, CO y H_{2} reaccionan con oxidante
diluido hacia abajo para completar la combustión y formar CO_{2}
y H_{2}O. Esta dilución basada en espacio y combustión escalonada
da lugar a un proceso de llenado de espacio donde se utiliza una
llama que rodea un espacio mucho mayor para completar el proceso de
combustión general.
Con el fin de ilustrar los efectos de la
dilución de chorros de combustible, en la tabla III se presentan
los cálculos teóricos de arrastre de chorros de gas natural. Aquí,
un chorro de gas turbulento libre a una velocidad de 176,48 m/s
(579 pies por segundo) es inyectado dentro de un entorno de horno
todavía mantenido a 1093,3°C (2000° Fahrenheit). El chorro de
combustible sigue arrastrando gases de horno a lo largo del eje de
combustión hasta que llega al límite de arrastre. Por ejemplo, a una
distancia axial de dos pies, el chorro arrastró 24 veces su masa y
la concentración media de combustible por unidad de volumen se
reduce a menos de 5%.
Así, en este caso, un chorro de combustible
diluido de forma significativa (con N_{2}, CO_{2} y H_{2}O)
usando arrastre de gases de horno puede reaccionar fácilmente con
oxidante de horno para formar una llama a baja temperatura que
llena el espacio de combustión. El Handbook of Combustion, Vol. II,
ilustra una menor formación de NOx en condiciones diluidas como se
representa en la figura 9.
En la figura 9 se muestra que el oxígeno
disponible en condiciones diluidas para formación de NOx se reduce
además si el oxidante se precalienta a temperaturas de
precalentamiento más altas. En el caso presente, el dispositivo LSV
12 suministra una corriente de oxidante precalentado, que también se
diluye a concentración de oxígeno debido a la mezcla con los
propios productos de combustión.
La cantidad de escalonamiento de combustible
(para combustible de gas natural) puede ser de 70% a 95% de la tasa
de combustión total del quemador. Este rango proporciona emisiones
sumamente bajas de NOx (1 a 9 ppmv). Se puede usar un rango de
escalonamiento de combustible inferior a 70% para combustión
espaciosa si las emisiones de NOx no son un problema. El rango de
escalonamiento de combustible superior 95% puede ser usado para
gases conteniendo hidrógeno, CO u otros gases altamente
inflamables.
El efecto combinado de los dos procesos de
dilución anteriores, (1) dilución de chorros de combustible usando
escalonamiento estratégico y (2) dilución de oxidante usando LSV, es
reducir las temperaturas de llama máximas, reducir las emisiones de
NOx y crear un proceso de combustión que llena el espacio de
combustión. Se obtuvo una prueba adicional de bajas temperaturas de
llama máximas por medición directa de la temperatura de la llama de
gas usando un pirómetro sonda de aspiración en el horno de
laboratorio. Como se representa en la figura 10 a una tasa de
combustión total de 4,22 GJ/h (4 MM Btu/h) (combustión LSV a 0,422
GJ/h (0,4 MM Btu/h) y escalonamiento de combustible a 101,96
m^{3}/h (3600 scfh), temperatura media del horno de
aproximadamente 871,7°C (1600° Fahrenheit) y en condiciones de
llama de llenado del espacio de combustión, hay un perfil radial de
temperatura que consta de temperaturas máximas de menos de 1093,3°C
(2000° Fahrenheit) a una distancia axial de 2,134 m (7,5 pies) del
plano de salida del quemador. Los resultados de las emisiones en el
horno de laboratorio se ilustran en tabla IV a varias tasas de
combustión.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Los datos de la tabla IV indican que las
emisiones generales de NOx son inferiores a 5 ppmv (corregido a 3%
de oxígeno excedente) para una capacidad de combustión de 1,055 a
6.33 GJ/h (1 a 6 MM Btu/h). La llama era completamente no luminosa
y llenaba el espacio de combustión a una capacidad de combustión de
entre 2,11 y 6,33 GJ/h (2 a 6 MM Btu/h). Las lanzas de
escalonamiento de combustible (8 en total) usaban una boquilla de
combustible de geometría similar (como se representa en la figura 7
con dos agujeros) con un ángulo de divergencia radial alfa = 15° y
un ángulo de divergencia axial beta = 7°. El diámetro del agujero de
escalonamiento de combustible para las pruebas anteriores era 2,794
mm (0,11 pulgadas). Esto proporcionó una velocidad media de
inyección de gas natural de 91,44% a 274,32 m/s (300 a 900 pies por
segundo) al rango de combustión de 2,11 a 6.33 GJ/h (2 a 6 MM
Btu/h). El quemador también usaba menos de 38,1 mm (1,5 pulgadas) de
caída de presión de columna de agua para el aire de combustión en
el dispositivo LSV.
La construcción preferida del quemador de
emisión ultra baja de NOx usa tuberías concéntricas de acero
estándar o tubos estándar soldados de forma telescópica para
satisfacer el flujo LSV, velocidad y relaciones adicionales clave
(véase anteriormente). Por ejemplo, se puede construir un
dispositivo LSV 12 de tasa de combustión nominal de 4,22 GJ/h (4 MM
Btu/h) usando tubo Schedule 40 de 3 pulgadas estándar para el tubo
de oxidante secundario 14, un tubo Schedule 40 de 0,1524 m (6
pulgada) para el tubo de combustible 16, y un tubo Schedule 40 de
0,2032 m (8 pulgada) para el tubo de oxidante primario. El bloque
quemador 17 (véase la figura 8) se puede construir usando tubo
Schedule 40 estándar de 0,254 m (10 pulgadas). Las lanzas 24 pueden
ser de tubo Schedule 40 de 0,0127 m (½ pulgada) con boquillas 26
soldadas o enroscadas. Estas tuberías se pueden hacer, por ejemplo,
de acero al carbono, acero aluminizado, acero inoxidable, o aceros
de aleación a alta temperatura.
Como se ha indicado anteriormente, el bloque
quemador cilíndrico 17 para la llama LSV se dimensiona usando un
tamaño de tubo estándar. El bloque quemador 17 puede ser de
dimensiones de uno o dos tamaños de tubo mayores que el tubo de
oxidante primario 18 en el dispositivo LSV 12. Por ejemplo, como se
ha indicado anteriormente, para un quemador de capacidad nominal de
4,22 GJ/h (4 MM Btu/h), el tubo de oxidante primario 18 puede ser
un tubo Schedule 10 de 0,203 m (8 pulgada). Así, el bloque quemador
se seleccionó como tubo 40 de 0,254 m (10 pulgada) (uno tamaño de
tubo estándar mayor). La longitud del bloque quemador 17 es
generalmente la misma que el grosor de pared del horno (por
ejemplo, aproximadamente 0,305 m (12 pulgadas) a 0,356 m (14
pulgadas). El objetivo de diseño del bloque quemador cilíndrico es
evitar interferencia de llama LSV en la superficie interior del
bloque quemador, manteniendo frío el material del bloque quemador
(evitando el daño térmico), y reduciendo la caída de presión por
rozamiento con respecto al aire de combustión entrante. Se prefiere
que la cavidad del bloque quemador sea de forma cilíndrica o
ligeramente cónica (ángulo de medio cono inferior a 10°) por varias
razones. Primera: se evita toda infiltración de combustible de
escalonamiento (contraflujo) a la cavidad del bloque quemador. Para
bloques cónicamente divergentes grandes, es muy probable que el
combustible de escalonamiento pueda entrar en la región de
recirculación a baja presión dentro de la cavidad del bloque
quemador para iniciar la combustión y el sobrecalentamiento
prematuros. Segunda: se mantiene la simetría de la envuelta LSV de
la llama con correspondiente geometría de escalonamiento de
combustible en la configuración de escalonamiento circular.
Finalmente, el momento de la llama LSV se mantiene completamente
para crear un torbellino más intenso a gran escala y crear mezcla
retardada con chorros de combustible diluidos.
Otras configuraciones de escalonamiento también
operan aceptablemente bien según la presente invención. Por
ejemplo, se llevaron a cabo experimentos adicionales de
escalonamiento de combustible para configuraciones de
escalonamiento planas. En las figuras 5B y 5C se representan
diagramas esquemáticos de configuraciones de escalonamiento planas.
Aquí las lanzas de escalonamiento 24a, 24b están colocadas de forma
lineal a ambos lados derecho e izquierdo de un dispositivo LSV 12a,
12b. También se representan bloques quemadores 17a (figura 5B), 17b
(figura 5C). Las envolventes de llama 30a, 30b se representan en
líneas de puntos. Las distancias de separación "s" (véase la
figura 5B) y "h" (véase la figura 5C) se determinaron
experimentalmente en base a la reducción de NOx y una menor
cantidad de formación de CO. La distancia óptima en base al rango de
combustión de quemador está entre 508 cm (2) y 0,305 m (12)
pulgadas. Las figuras 11A a 11D muestran varias configuraciones de
escalonamiento planas para una tasa de combustión total de 4,22 Gjh
(4 MM Btu/h) y una temperatura operativa media del horno de
aproximadamente 815,5°C (1500°F). Los dispositivos LSV 12c, 12d,
12e, 12f se activaron a 0,528 GJ/h (0,5 MM Btu/h) mientras que las
lanzas de combustible 24c, 24d, 24e, 24f se pusieron a una tasa de
combustión de 3,69 GJ/h (3,5 MM Btu/h) y a una distancia de
separación de s = 11,84 cm (4,66 pulgadas). Las lanzas 24, 24d,
24e, 24f eran de varios tamaños de agujero, número de agujeros, y
varios ángulos de divergencia radial y axial. Estos valores se
indican en las figuras 11A a 11D. Las posiciones de lanza y la
geometría de agujero se variaron para entender el efecto en la
presión de suministro del combustible de escalonamiento así como
emisiones de NO y CO. Se observó que una presión más alta de
suministro del combustible de escalonamiento producía menores
emisiones de NOx y viceversa. Los resultados de emisiones indicaban
emisiones de NO inferiores a 6 ppmv y emisiones de CO bajas (<
50 ppmv) a una presión de suministro de combustible de entre 137,9
hPa y 344,7 hPa (2 y 5 psig).
Algunos hornos de hidrógeno, en particular,
reformadores, que son reactores químicos de combustión directa,
constan de numerosos tubos situados en el horno (caja de combustión)
y se llenan de catalizador. La conversión de hidrocarbono y vapor a
una mezcla equilibrada de hidrógeno, óxidos de carbono y metano
residual tiene lugar dentro de los tubos catalizadores. El calor
para la reacción altamente endotérmica lo proporcionan quemadores
situados en la caja de combustión. Un reformador de metano vapor
grande (SMR) es generalmente de un diseño de combustión superior.
Los reformadores de combustión superior tienen múltiples filas de
tubos en la caja de combustión. Los quemadores, por ejemplo, hasta
150, están situados en un arco en cada lado de los tubos, y el
calor es transferido a los tubos por radiación de los productos de
combustión. Un quemador utilizando escalonamiento plano sería ideal
para hornos SMR de combustión superior.
En una tercera realización, el quemador de
emisión ultra baja de NOx está configurado de forma idéntica a la
geometría de carga. Aquí, un único o múltiples dispositivos LSV 12
g, que proporcionan una llama pobre en combustible a una relación
de equivalencia en el rango de phi = 0,05 a phi = 0,3, y lanzas de
escalonamiento de combustible están colocados estratégicamente
dentro del horno con el fin de cubrir toda la zona superficial de
carga con lanzas de escalonamiento 24 g. Cada lanza 24 g tiene un
tubo que tiene una boquilla de escalonamiento de combustible en su
extremo de combustión y que tiene al menos un agujero en un extremo
para inyección escalonada de combustible, como se ha descrito
anteriormente con respecto a las realizaciones anteriores. Cada
agujero tiene un ángulo de divergencia radial y un ángulo de
divergencia axial, como se ha descrito anteriormente para las
realizaciones anteriores. El agujero o agujeros y los ángulos de
divergencia proporcionan una cobertura de forma de carga. El
quemador en esta configuración también proporciona emisiones de NOx
inferiores a 9 ppmv.
El concepto anterior se puede explicar
considerando una caldera empaquetada industrial típica. Muchas
calderas de este tipo (por ejemplo, una caldera de tipo D) tienen
la capacidad de enfriar totalmente por agua el frente delantero de
horno, las paredes laterales, el suelo y las paredes traseras usando
tubos de agua o superficie de carga. Esta construcción elimina la
necesidad de paredes refractarias para la construcción del horno y
cierres herméticos a alta temperatura. El diseño proporciona una
envuelta de horno soldada totalmente refrigerada por agua para que
tenga lugar combustión. Las zonas superficiales de transferencia de
calor adicionales crean menores emisiones de NOx y proporcionan una
eficiencia térmica más alta.
Como se representa en la figura 12A y 12B, se
usan un único o múltiples dispositivos LSV 12 g, 12 g' y se colocan
estratégicamente lanzas de escalonamiento de combustible 24 g, 24 g'
paralelas a carga, tal como la superficie de envuelta de tubo de
agua de caldera 42a, 42b, la geometría (cuadrada, rectangular,
trapezoidal, circular, elíptica o cualquier otra forma de carga por
combinación de varias formas primarias). El objetivo de la
estrategia de escalonamiento anterior es arrastrar gases de horno
relativamente más fríos cerca de la superficie de carga (por
ejemplo tubos de agua o proceso) y crear una llama espaciosa general
a baja temperatura.
De nuevo, preferiblemente, el dispositivo LSV
12g usa entre 4 y 16 lanzas de escalonamiento 24 g, 24 g' y cada
boquilla de escalonamiento tiene entre 1 agujero y 4 agujeros. Las
lanzas 24 g, 24 g' se pueden configurar paralelas a la geometría de
la carga y se pueden colocar en varias filas paralelas.
Preferiblemente el ángulo de divergencia radial es entre 8° y 24° y
el ángulo de divergencia axial es entre 0° y 16°. La velocidad del
combustible que sale de la boquilla es preferiblemente entre 91,44
m/s a 274, 32 m/s (300 to 900 pies por segundo) para un combustible
de escalonamiento de gas natural.
Para calderas de producción de energía o
servicio, el escalonamiento de conformación de carga se puede
implementar usando una configuración de caldera de combustión por
pared 34, véase la figura 13A, o configuración de combustión
tangencial 36. Véase la figura 13B. La mayoría de las calderas de
producción de energía son de capacidad mucho mayor y usan de 10 a
20 quemadores por pared de combustión y la capacidad de combustión
típica es aproximadamente 1,055 GJ/h (mil millones Btu/h). Como se
representa en la figura 13A, los quemadores se colocan en varias
filas y comparten un colector común 38 para aire de combustión. Los
quemadores de baja emisión de NOx 12 g se pueden colocar en
posiciones geométricas similares y comparten un suministro común de
aire de combustión a través de un colector rectangular de aire 38.
El aspecto de diseño más importante para lograr bajas emisiones de
NOx sería usar múltiples lanzas de combustible 24 g en la pared de
combustión en varias filas entre dispositivos LSV 12 g para crear
una llama espaciosa 32. Los gases de horno son arrastrados en los
chorros de combustible escalonados antes de la combustión con aire
de combustión descargado del dispositivo LSV 12 g. A diferencia de
las calderas industriales más pequeñas, las calderas de producción
de energía tienen una cámara de combustión de línea refractaria o
zona de radiación donde la mayor parte del combustible se quema y
posteriormente los productos de combustión calientes suben para
calentar tubos de agua o carga en la zona de convección, y después
a la sección economizadora antes de descargarse a la pila. En la
mayoría de las calderas, se inyecta aire de sobrecombustión
(porción de aire de combustión de 5 a 25%) justamente después de la
zona de radiación para reducir las emisiones de NOx.
La figura 13B representa una caldera de
producción de energía de combustión tangencial, donde las cuatro
esquinas se usan para crear una configuración de remolino o flujo
tangencial 40 dentro de una zona de radiación cuadrada 42 del
horno. El aire de combustión suministrado por registros de aire y
los quemadores propuestos de baja emisión de NOx están montados en
varias filas en las cuatro esquinas. Las lanzas de combustible de
conformación de carga 12 g pueden estar instaladas en varias filas
entre los dispositivos LSV 12 g para crear una llama espaciosa
tangencial o de remolino. Inyectando combustible por separado del
aire de combustión y no mezclándolo directamente con aire de
combustión, la disponibilidad de oxígeno para formación de NOx se
minimiza y también permite diluir chorros de combustible usando
gases de horno para arrastre. La llama resultante es espaciosa y
tiene temperaturas de llama y emisiones de NOx sumamente bajas.
De nuevo, preferiblemente, se usan entre 4 y 16
lanzas de escalonamiento por dispositivo LSV 12 y cada boquilla de
escalonamiento tiene entre 1 agujero y 4 agujeros. Las lanzas pueden
estar configuradas paralelas a la geometría de carga y se pueden
colocar en varias filas paralelas. Preferiblemente el ángulo de
divergencia radial es entre 8° y 24° y el ángulo de divergencia
axial es entre 0° y 16°. La velocidad de combustible que sale de la
boquilla es preferiblemente entre 91,44 m/s a 274,32 m/s (300 a 900
pies por segundo) para un combustible de escalonamiento de gas
natural.
En grandes calderas de servicio, múltiples
quemadores, por ejemplo, de 20 a 30 quemadores, queman en paredes
opuestas o en configuración tangencial y el calor de la combustión
de quemadores se usa para generar vapor. Éstas son unidades de
caldera grandes con capacidades superiores a 263,75 GJ/h (250 MM
Btu/h). Sin embargo, las calderas industriales típicas son de menor
tamaño físico y tienen construcción empaquetada (tipo D) o modular.
La llama del quemador está totalmente encerrada en un tubo estanco a
los gases refrigerados por agua o envuelta de carga. El uso de
lanzas de "conformación de carga" sería ideal para calderas
industriales. Éstas se usan para generar vapor de proceso usado en
refinerías o industria química. La capacidad de combustión es entre
52,75 y 263,75 GJ/h (50 y 250 MM Btu/h).
Se hace notar que, a los efectos de la presente
invención, se puede usar un oxidante con una concentración de
oxígeno entre 10 y 21% o un oxidante enriquecido, es decir, superior
a 21% y se puede usar un contenido de oxígeno inferior a 50%.
Preferiblemente, el oxidante está a condiciones ambiente a un nivel
precalentado, por ejemplo 93,3°C a 1315,5°C (200 grados F a 2400
grados F).
Aunque se ha ilustrado y descrito aquí con
referencia a realizaciones específicas, la presente invención no
obstante no se pretende limitar a los detalles mostrados.
Claims (31)
1. Un quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso, incluyendo:
- a)
- un estabilizador de llama a base de fluido que puede proporcionar una llama pobre en combustible en relación de equivalencia en el rango de phi = 0,05 a phi = 0,3; y
- b)
- una pluralidad de lanzas de escalonamiento de combustible (24, 24a-24 g') rodeando dicho estabilizador de llama, incluyendo cada lanza indicada (24, 24a-24 g') un tubo que tiene una boquilla de escalonamiento (26) en su extremo de combustión, teniendo cada lanza (24, 24a-24 g') al menos un agujero (28) para inyección escalonada de combustible, teniendo cada agujero (28) un ángulo de divergencia radial y un ángulo de divergencia axial;
- caracterizado porque dicho al menos un agujero (28) y dichos ángulos de divergencia están adaptados para proporcionar cobertura circunferencial completa de la llama pobre en combustible, por lo que se generan emisiones de NOx de menos de 9 ppmv en condiciones casi estequiométricas.
2. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde dicho al
menos un agujero (28) y dichos ángulos de divergencia están
adaptados para proporcionar una configuración de llama plana.
3. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde dicho al
menos un agujero (28) y dichos ángulos de divergencia están
adaptados para proporcionar una configuración de llama de
conformación de carga.
4. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde la
pluralidad de lanzas de escalonamiento de combustible (24,
24a-24 g') incluye entre 4 y 16 lanzas de
escalonamiento (24, 24a-24 g') por estabilizador de
llama.
5. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde cada
boquilla de escalonamiento (26) tiene entre 1 agujero (28) y 4
agujeros (28).
6. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde el ángulo de
divergencia radial es entre 8° y 24°.
7. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde el ángulo de
divergencia axial es entre 4° y 16°.
8. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde la boquilla
(26) está adaptada para permitir que salga combustible de la
boquilla (26) a desde 91,44 m/s a 274,32 m/s (300 a 900 pies por
segundo) para combustible de escalonamiento de gas natural.
9. El quemador de emisión ultra baja de NOx para
calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde el
estabilizador de llama a base de fluido es un dispositivo de
torbellino a gran escala (12).
10. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 9, donde el
dispositivo de torbellino a gran escala (12) está adaptado para
proporcionar una llama pobre en combustible que tiene una
temperatura de llama máxima de menos de aproximadamente 1093°C
(2000° Fahrenheit).
11. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde la
relación de equivalencia es del rango de phi = 0,05 a phi = 0,1.
12. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde una
distancia del extremo delantero del quemador a un punto donde tiene
lugar la mezcla de llama de escalonamiento y llama del
estabilizador de llama es aproximadamente 0,2032 m a 1,2192 m (8 a
48 pulgadas).
13. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde la tasa
de combustible del escalonamiento para combustible de gas natural es
de 70% a 95% de la tasa de combustión total de combustible del
quemador.
14. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 1, incluyendo un
bloque quemador (17) coaxial a dicho estabilizador de llama.
15. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 14, donde el
bloque quemador (17) es de forma ligeramente cónica.
\newpage
16. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 14, donde el
bloque quemador (17) es de forma rectangular.
17. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 1, donde dicho
estabilizador de llama a base de fluido tiene forma de un
dispositivo de torbellino a gran escala (12) que puede proporcionar
una llama pobre en combustible en relación de equivalencia en el
rango de phi = 0,05 a phi = 0,3; e incluyendo entre 4 y 16 de
dichas lanzas de escalonamiento de combustible (24,
24a-24 g') por estabilizador de llama adyacente a
dicho estabilizador de llama, incluyendo cada lanza indicada (24,
24a-24 g') un tubo que tiene una boquilla de
escalonamiento (26) en su extremo de combustión, teniendo cada lanza
(24, 24a-24 g') entre uno y cuatro de dichos
agujeros (28) para escalonar la inyección de combustible, teniendo
cada agujero (28) un ángulo de divergencia radial y un ángulo de
divergencia axial.
18. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde las
lanzas de escalonamiento de combustible (24, 24a-24
g') rodean dicho estabilizador de llama y el al menos único agujero
(28) y los ángulos de divergencia están adaptados para proporcionar
cobertura circunferencial completa de la llama pobre en combustible
para escalonamiento circular.
19. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde las
lanzas de escalonamiento de combustible (24, 24a-24
g') están colocadas de forma lineal en filas únicas o múltiples a
ambos lados del estabilizador de llama y donde el al menos único
agujero (28) y los ángulos de divergencia están adaptados para
proporcionar un perfil de llama plana.
20. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde las
lanzas de escalonamiento de combustible (24, 24a-24
g') están colocadas de forma lineal en filas únicas o múltiples en
ambos lados del estabilizador de llama y donde el al menos único
agujero (28) y los ángulos de divergencia están adaptados para
proporcionar una llama confinada entre dos planos paralelos
planos.
21. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde las
lanzas de escalonamiento de combustible (24, 24a-24
g') están colocadas de forma geométrica y casi paralelas a una
geometría de carga en unas filas únicas o múltiples y cerca del
estabilizador de llama y donde el al menos único agujero (28) y los
ángulos de divergencia están adaptados para proporcionar una llama
confinada entre dos planos paralelos planos.
22. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde el
ángulo de divergencia radial es entre 8° y 24° y el ángulo de
divergencia axial es entre 4° y 16°.
23. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde la
boquilla (26) está adaptada para permitir que salga combustible de
la boquilla (26) a desde 91,44 m/s a 274,32 m/s (300 a 900 pies por
segundo) para combustible de escalonamiento de gas natural.
24. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde el
dispositivo de torbellino a gran escala (12) está adaptado para
proporcionar una llama pobre en combustible que tiene una
temperatura de llama máxima de menos de aproximadamente 1093°C
(2000° Fahrenheit).
25. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde la
relación de equivalencia es en el rango de phi = 0,05 a phi =
0,1.
26. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde una
distancia del extremo delantero del tubo de combustible del
estabilizador de llama a un punto donde tiene lugar la mezcla de
llama de escalonamiento y llama del estabilizador de llama es
aproximadamente 0,2032 m a 1,2192 m (8 a 48 pulgadas).
27. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde la
tasa de combustible del escalonamiento para combustible de gas
natural es de 70% a 95% de la tasa de combustión total de
combustible del quemador.
28. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, incluyendo
un bloque quemador (17) coaxial a dicho estabilizador de llama.
29. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 28, donde el
bloque quemador (17) es de forma ligeramente cónica.
30. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 28, donde el
bloque quemador (17) es de forma rectangular.
31. El quemador de emisión ultra baja de NOx
para calentamiento de proceso de la reivindicación 17, donde una
distancia de separación entre lanzas de combustible individuales
(24, 24a-24 g') es aproximadamente 5,08 cm a 30,48
cm (2 a 12 pulgadas).
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-
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