ES2336136T3 - Enderezamiento de llama en un horno. - Google Patents
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Abstract
Un método para generar llamas enderezadas en un horno, que comprende: introducir un oxidante en una pluralidad de conductos para oxidante, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para oxidante una salida que comunica fluidamente con el interior del horno próximo a un primer extremo interior del horno, definiendo la pluralidad de salidas de los conductos para oxidante un área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta un segundo extremo interior del horno, estando el segundo extremo interior del horno enfrente del primer extremo interior del horno; introducir un combustible en una pluralidad de conductos para combustible, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para combustible una salida que comunica fluidamente con el interior del horno próxima al primer extremo interior del horno, estando la pluralidad de conductos para combustible en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante; mezclar el combustible y el oxidante en el interior del horno; hacer reaccionar el combustible y el oxidante con lo cual se forma una pluralidad de porciones de llama; transferir calor desde la pluralidad de porciones de llama a una pluralidad de cámaras de reacción, atravesando dicha pluralidad de cámaras de reacción desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno, teniendo dicha pluralidad de cámaras de reacción una porción de extremo en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante y en relación espaciada con la pluralidad de conductos para combustible; y reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno a entre 10% y 105% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.
Description
Enderezamiento de llama en un horno.
La presente invención se refiere a un método y
un horno para generar llamas enderezadas en un horno, y en
particular a un método y un horno para generar llamas enderezadas en
hornos de llama hacia abajo y de llama hacia arriba que tienen
múltiples filas de cámaras de reacción (por ejemplo, tubos de
proceso) y múltiples filas de quemadores de baja generación de
NO_{x} (óxidos de nitrógeno).
Los hornos grandes de llama hacia abajo y de
llama hacia arriba de múltiples filas (por ejemplo, hornos de
reformado y hornos de craqueo de etileno) tienen complejos modelos
de flujo de gases en el horno. Modelos de flujo de gases
indeseables pueden desviar las llamas y causar un sobrecalentamiento
localizado de los tubos de proceso, afectando con ello a las
prestaciones de dichos hornos. Se conoce un horno de llama hacia
abajo típico, por ejemplo, por la patente
US-A-5.546.874.
Un horno convencional de reformado de metano con
vapor de agua (101) con una configuración de llama hacia abajo se
muestra en la Fig. 1. Un gas de alimentación (vapor de agua + gas
natural) se suministra por la parte superior de los tubos de
proceso (180), que están rellenos con catalizador de reformado. El
gas de alimentación se reforma en los tubos de proceso rellenos de
catalizador (180), para formar gas de síntesis (principalmente
H_{2}, CO, CH_{4}, H_{2}O y CO_{2}), que se retira cerca
del fondo de los tubos de proceso (180). Los quemadores (111)
generan llamas (130) para proporcionar el calor necesario para las
reacciones de reformado endotérmicas. El gas de síntesis retirado
se refina luego o se purifica adicionalmente, por ejemplo en un
adsorbedor de presión oscilante (abreviadamente PSA por la
expresión inglesa Pressure Swing Adsorber), para producir
hidrógeno como producto. Los gases restantes pueden ser enviados de
nuevo a los quemadores (111) para uso como combustible.
En la Fig. 1, se ilustran los múltiples
quemadores (111) con un modelo representativo de flujo de gases en
horno (en el lado izquierdo más extremo). El chorro de llamas
arrastra los gases del horno dando como resultado un bucle de
recirculación en la región de la llama (130). Por debajo de la
llama, los gases de horno fluyen hacia abajo, asemejándose a un
flujo de tapón, y finalmente salen fuera a través de las entradas
laterales de los túneles refractarios (122) para los gases
residuales de la combustión.
En muchos casos los hornos
muti-filas de llama hacia abajo que tienen llamas
estrechas convencionales, la geometría del horno permite un área de
flujo suficiente alrededor de la llama y puede crear una zona de
recirculación en la sección superior del horno que facilita llamas
rectas (130), como se muestran en la Fig. 1.
En el curso de implementar en un horno una nueva
tecnología de quemadores de baja generación de NO_{x} con una
relación de aspecto mayor que 0,8, los inventores encontraron que la
sustitución de quemadores convencionales por quemadores de baja
generación de NO_{x} algunas veces producía llamas desviadas que
daban como resultado el problema de un calentamiento no uniforme de
las cámaras de reacción, es decir los tubos del proceso. Como se
representa en la Fig. 2, los nuevos quemadores de baja generación de
NO_{x} producían llamas más anchas (31) que estaban desviadas o
inclinadas hacia algunas de las cámaras de reacción (80). La
curvatura de las llamas y el impacto en las cámaras de reacción
causa un calentamiento localizado de las paredes de las cámaras de
reacción y variaciones en la temperatura del gas de proceso de fila
a fila (es decir, cámaras de reacción "calientes" en algunas
filas, y cámaras de reacción "más frías" en otras filas). Esto
da como resultado un sobrecalentamiento de algunas paredes de las
cámaras de reacción, no uniformidad en las temperaturas de las
paredes, grandes desviaciones en las temperaturas del gas de proceso
desde la cabeza de un proceso a otro, deficiente eficacia radiante,
y puede reducir la vida del horno y sus componentes.
Los inventores intentaron algunos de los métodos
más comunes para reducir la desviación de las llamas es decir,
enderezar las llamas, en hornos grandes de tipo caja. Estos métodos
incluyen:
- \quad
- Disminuir el combustible en varios quemadores en los que ocurre el impacto de la llama: Al reducir la tasa de combustión en quemadores seleccionados, se reduce la intensidad de la llama. Por tanto, se puede evitar el sobrecalentamiento o regiones de puntos calientes. Sin embargo, en muchos casos, el problema se traslada simplemente desde un sitio de horno y reaparece en otro sitio del horno.
- \quad
- Cambiar las boquillas de inyección del combustible: Se reemplazan diferentes boquillas de quemadores en regiones de puntos calientes (o filas de quemadores) por boquillas de diámetro más pequeño de los orificios (menor tasa de combustión).
- \quad
- Alterar la estequiometría de las llamas: Se reduce el flujo de combustible a los quemadores de las regiones de puntos calientes, pero el flujo de aire de combustión se mantiene el mismo. Esto crea una combustión pobre en combustible en áreas seleccionadas del horno. La combustión pobre en combustible ayuda a reducir las temperaturas máximas de la llama y el sobrecalentamiento.
- \quad
- Hacer funcionar los quemadores de las filas laterales a menor tasa de combustión: Esto se usa en diversos hornos grandes en donde los quemadores de las filas laterales tienen una tasa de combustión que es 60% a 70% la de los quemadores de la fila central. Un quemador de fila lateral es un quemador situado adyacente a una pared lateral del horno. Disminuyendo la tasa de combustión de los quemadores de las filas laterales se tiende a impedir que sus llamas se curven hacia el centro del horno.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos métodos se han revelado insatisfactorios.
Además, algunos de estos métodos no son soluciones permanentes,
sino más bien temporalmente fijas que frecuentemente reducen las
prestaciones del horno. En un horno en donde los modelos de
trayectoria de los gases del horno son inestables, cualquier intento
de estabilización o enderezamiento de las llamas en una región
podría conducir a efectos indeseables en otra región. En otras
palabras, el problema se traslada simplemente desde una región a
otra. Estos métodos no eliminan el problema que constituye la
interacción de los gases del horno con las llamas.
Se desea tener un método y un horno para generar
llamas enderezadas que usan quemadores de baja generación de
NO_{x} en un horno múltiples filas de quemadores y múltiples filas
de cámaras de reacción.
Se desea tener un método y un horno para generar
llamas enderezadas en hornos de llama hacia abajo o de llama hacia
arriba que usan quemadores de baja generación de NO_{x} en un
horno que tienen múltiples filas de quemadores y múltiples cámaras
de reacción.
Se desea tener un método y un horno para
proporcionar temperaturas uniformes de gas de proceso ente las
múltiples filas cámaras de reacción, sin sobrecalentar las cámaras
de reacción.
Se desea tener un método y medios para reducir
la desviación y el impacto resultante de las llamas en las cámaras
de reacción en un horno que usa quemadores de baja generación de
NO_{x}.
Se desea tener un método y un horno para generar
llamas enderezadas en el horno con quemadores de baja generación de
NO_{x}, al mismo tiempo que se utiliza completamente el espacio de
combustión del horno para una eficacia mejorada del horno.
Se desea tener un método y un horno para generar
llamas enderezadas usando quemadores de baja generación de NO_{x}
en un horno con una relación de aspecto mayor que 0,8.
Se desea tener un método y un horno para generar
llamas enderezadas usando quemadores de baja generación de NO_{x}
en un horno que tiene múltiples filas de quemadores y múltiples
filas de cámaras de reacción, en donde cualquier desviación de la
llama está dirigida hacia una llama adyacente en lugar de hacia una
cámara de reacción.
La presente invención se refiere a un método y
un horno para generar llamas enderezadas en un horno. El método
comprende introducir un oxidante en una pluralidad de conductos para
oxidante, en donde cada una de la pluralidad de conductos para
oxidante tiene una salida en comunicación fluida con el interior del
horno próximo a un primer extremo interior del horno. El primer
extremo interior del horno tiene un área proyectada horizontalmente.
Las salidas de los conductos para oxidante definen un área
combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en
30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno
hasta un segundo extremo interior del horno. El segundo extremo
interior del horno está enfrente del primer extremo interior.
El método comprende además introducir un
combustible en una pluralidad de conductos para combustible, en
donde cada una de la pluralidad de conductos para combustible tiene
una salida en comunicación fluida con el interior del horno próxima
al primer extremo interior del horno. La pluralidad de conductos
para combustible está en una relación espaciada con la pluralidad
de conductos para oxidante.
El método comprende además mezclar combustible y
oxidante en el del interior del horno y hacer reaccionar el
combustible y el oxidante formando con ello una pluralidad de
porciones de llama.
El método comprende además transferir calor
desde la pluralidad de porciones de llama a una pluralidad de
cámaras de reacción, en donde la pluralidad de cámaras de reacción
atraviesa desde el primer extremo interior del horno hasta el
segundo extremo interior del horno. La pluralidad de cámaras de
reacción tiene una porción de extremo en relación espaciada con la
pluralidad de conductos para oxidante y en relación espaciada con
la pluralidad de conductos para combustible.
El método comprende además reducir el área
combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en
30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno
hasta el segundo extremo interior del horno en un valor entre 10% y
105%, o entre 90% y 105%, o entre 90% y 104% del área proyectada
horizontalmente del primer extremo interior.
La presente invención también se refiere a un
horno para generar llamas enderezadas en dicho horno. El horno
comprende un primer extremo interior que tiene un área proyectada
horizontalmente y un segundo extremo interior en frente del primer
extremo interior.
El horno comprende además una pluralidad de
conductos para oxidante próxima al primer extremo interior, donde
cada una de la pluralidad de conductos para oxidante tiene una
salida que comunica fluidamente con el interior del horno. La
pluralidad de salidas de los conductos para oxidante define un área
combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en
30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el
segundo extremo interior. El área combinada de chorro libre
turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media
desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior
es entre 10% y 105%, o entre 90% y 105%, o entre 90% y 104% del
área proyectada horizontalmente del el primer extremo interior.
El horno comprende además una pluralidad de
conductos para combustible próxima al primer extremo interior. Cada
una de la pluralidad de conductos para combustible tiene una salida
en comunicación fluida con el interior del horno. La pluralidad de
conductos para combustible está en relación espaciada con la
pluralidad de conductos para oxidante.
El horno comprende además una pluralidad de
cámaras de reacción alargadas que atraviesan desde el primer extremo
interior hasta el segundo extremo interior. La pluralidad de
cámaras de reacción alargadas tiene una porción de extremo en
relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante y en
relación espaciada con la pluralidad de conductos para
combustible.
En una realización de la invención, el horno
puede comprender opcionalmente medios parar reducir el área
combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en
30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el
segundo extremo interior.
En los dibujos que se acompañan:
La Fig. 1 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista transversal de un horno con llamas estrechas que arden
hacia abajo;
La Fig. 2 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista transversal de un horno con llamas anchas desviadas que
arden hacia abajo;
La Fig. 3 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista transversal de un horno con llamas anchas enderezadas que
arden hacia abajo;
La Fig. 4 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista en planta de un horno;
La Fig. 5 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista en planta de un horno que representa las áreas combinadas
de chorro libre turbulento proyectadas horizontalmente;
La Fig. 6 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista en planta de un horno que representa conductos para
oxidante no utilizados;
La Fig. 7 es un diagrama esquemático que ilustra
una vista en planta de un horno que representa medios para reducir
el área de la sección transversal de las salidas de los conductos
para oxidante; y
La Fig. 8 es un diagrama esquemático que ilustra
conductos para combustible que forman ángulos con la línea central
de los conductos para oxidante.
En una realización de la invención, la presente
invención se refiere a un método para generar llamas enderezadas en
un horno. Haciendo referencia a la Fig. 3, que ilustra una vista
transversal a través del horno (1), el método de la invención
comprende introducir un oxidante en una pluralidad de conductos para
oxidante (11). El oxidante comprende oxígeno y adicionalmente puede
comprender combustible y/o productos de combustión. El oxidante
puede ser aire. El oxidante puede comprender al menos 10% en
volumen de oxígeno. El oxidante puede ser formado por
pre-combustión de un combustible con aire en un
aparato de pre-combustión y ser introducido a través
del conducto para oxidante. El oxidante puede estar a temperatura
ambiente o puede ser calentado a una temperatura superior a la
temperatura ambiente.
Los conductos para oxidante (11) tienen salidas
(12) que comunican fluidamente con el interior del horno (1), en
donde las salidas (12) están próximas al extremo interior (50) del
horno (1). Las salidas para oxidante (12) pueden estar al ras con
el extremo interior (50). Como se muestra en la Fig. 3, el horno (1)
tiene también el extremo interior (60) que está enfrente del
extremo interior (50). Un extremo interior se caracteriza por la
superficie interna de la pared del horno. Los conductos para
oxidante (11) pueden tener una geometría similar o geometrías
diferentes. Las salidas para el oxidante (12) pueden tener áreas de
la sección transversal similares o áreas de la sección transversal
diferentes.
Como se ilustra por ejemplo en la Fig. 3, el
extremo interior (50) para un horno de llama hacia abajo es el
techo o el extremo superior del horno y el extremo interior (60) es
el suelo o extremo inferior del horno. Aunque se muestra como una
superficie plana, el extremo interior (50) puede estar inclinado o
arqueado.
En la realización ilustrada en la Fig. 3, el
oxidante se introduce en el horno sustancial y verticalmente hacia
abajo. Para los fines de esta descripción, sustancial y
verticalmente hacia abajo significa dentro de 10 grados con la
vertical.
Como se ilustra en la vista en planta del horno
del horno (1) en la Fig. 4, el extremo interior (50) tiene un área
proyectada horizontalmente (71), representada por el área sombreada
rectangular. Un área proyectada horizontalmente es el área
proyectada sobre un plano horizontal en una dirección perpendicular
al plano horizontal. En el caso del extremo interior (50) no es una
superficie plana, por ejemplo una superficie inclinada o arqueada,
la superficie también puede estar proyectada sobre un plano
horizontal para dar un área proyectada horizontalmente.
Típicamente, un reformador a escala industrial puede tener un área
proyectada horizontalmente en algún sitio entre 45 m^{2} (500
pies^{2}) y 450 m^{2} (5000 pies^{2}).
Como se representa en la Fig. 5, cada salida
para oxidante (12) define un área de chorro libre turbulento
proyectada horizontalmente (85) en 30% de la distancia media desde
el extremo interior (50) hasta el extremo interior (60).
Consideradas juntas, estas áreas de chorro libre turbulento
proyectadas horizontalmente (85) representan un área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente. El área de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente se refiere al
área de la sección transversal del chorro sobre un plano
horizontal.
Un área de chorro libre turbulento es un valor
calculado definido
donde
D_{o} es el diámetro de la salida para
oxidante (12) y típicamente puede ser cualquier valor entre 0,2 m (8
pulgadas) y 0,5 m (20 pulgadas). En el caso de que el diámetro de
la salida, D_{o}, no sea circular, se usa el diámetro hidráulico.
El área proyectada se calcula a una longitud, L. Para los fines de
esta descripción, L se evalúa en 30% de la distancia global desde
el extremo interior (50) hasta el extremo interior (60), que en la
Fig. 3, la distancia global es eficazmente la longitud de la cámara
de reacción expuesta (80) o la denominada longitud calentada. La
distancia global desde el extremo interior (50) hasta el extremo
interior (60) excluye partes salientes, por ejemplo los túneles
(122) y/o las extensiones de las baldosas del quemador (no
mostradas). Típicamente, la longitud de la cámara de reacción puede
ser cualquier valor desde 6 m (20 pies) a 16 m (50 pies). En el
caso de que varía la distancia entre el extremo interior (50) y el
extremo interior (60), se usa la distancia media. (\theta) es el
ángulo de diseminación del chorro libre turbulento definido como el
ángulo total abarcado por los límites de la mitad de la velocidad,
en donde la velocidad axial del chorro disminuye hasta la mitad de
la velocidad máxima local en el eje del chorro. Este ángulo tiene
valores entre 20º [Perry's Chemical Engineering Handbook, 6th
edition, pp. 5-22] y 24º [F. W. White, Viscous
Fluid Flow, McGraw Hill, New York, 1974, p. 509.]. Para los
fines de esta descripción, (\theta) es 22º. El área de chorro
libre turbulento, como se ha definido antes, se basa en la
geometría física de los conductos para el oxidante y el horno.
El área combinada de chorro libre turbulento
proyectada horizontalmente es la simple suma de las áreas de chorro
libre turbulento calculadas individualmente. No se tiene en cuenta
el solapamiento de las áreas de chorro libre individuales. Mediante
este método de cálculo, el área combinada de chorro libre turbulento
proyectada horizontalmente puede ser mayor que el área de la
sección transversal del horno.
Haciendo de nuevo referencia a la Fig. 3, el
método de la invención comprende introducir un combustible en una
pluralidad de conductos para combustible (21). El combustible puede
ser cualquier combustible conocido en la técnica para hornos de
reformadores de metano con vapor de agua y/o de craqueo de etileno.
El combustible puede comprender al menos uno de metano, gas
natural, gas combustible de refinería, gas residual de PSA, gas de
cola de reformadores y otros hidrocarburos ligeros. Como se muestra
en la Fig. 3, en el horno se introduce al menos un combustible
separadamente del oxidante. Esto se denomina a veces graduación del
combustible y puede ser eficaz para reducir las emisiones de
NO_{x} desde un horno como se describe en las patentes
US-A-6.773.256 y
US-A-6.866.503, ambas asignadas a
Air Products and Chemicals, Inc.
Los conductos múltiples para combustible (21)
pueden estar asociados a un solo conducto para oxidante (11). Los
conductos para combustible (21) tienen salidas (22) que comunican
fluidamente con el interior del horno (1), en donde las salidas
(22) están próximas al extremo interior (50) del horno (1). Las
salidas de los conductos para combustible (22) pueden estar al ras
con el extremo interior (50) o los conductos para combustible (21)
se pueden extender en el horno de tal modo que las salidas (22)
están situadas aguas abajo de las salidas para oxidante (12). Los
conductos para combustible (21) pueden tener una geometría similar o
geometrías diferentes. Las salidas para combustible (22) pueden
tener áreas de la sección transversal similares o áreas de la
sección transversal diferentes. Las salidas para combustible (22)
pueden tener secciones transversales especializadas como se describe
en la patente US-A-6.866.503.
El combustible procedente de la pluralidad de
conductos para combustible (21) y el oxidante procedente de la
pluralidad de conductos para oxidante (11) se mezclan en el interior
del horno y se hacen reaccionar formando con ello una pluralidad de
porciones de llama (30). Aunque algo de combustible y oxidante
pueden ser premezclados e introducidos a través de conductos para
oxidante (11), al menos algo de combustible y oxidante se mezcla en
el interior del horno, empleando de esta modo la denominada
graduación del combustible.
El calor procedente de la pluralidad de
porciones de llama (30) se transfiere a una pluralidad de cámaras de
reacción alargadas (80). En el caso de un reformador de metano con
vapor de agua, las cámaras de reacción (80) están al menos
parcialmente rellenas con catalizador de reformado. En el caso de un
horno para craqueo de etileno las, cámaras de reacción (80) pueden
o no pueden estar al menos parcialmente rellenas con un catalizador
de craqueo. Los catalizadores de reformado o de craqueo de etileno
son los usuales bien conocidos en la técnica. Las cámaras de
reacción (80) atraviesan el horno desde el extremo interior (50)
hasta el extremo interior (60). Las cámaras de reacción (80) tienen
una porción de extremo (81) en relación espaciada con la pluralidad
de conductos para oxidante (11) y conductos para combustible (21).
Los gases de proceso pueden fluir en las cámaras de reacción (80),
en la misma dirección o en contracorriente para el flujo prevalente
de gases de combustión en el horno.
Los inventores han descubierto que las llamas en
el horno (1) pueden ser desviadas y/o ser inestables si no se
proporcionan suficiente espacio para la circulación de los gases en
el horno, particularmente para hornos con una relación de aspecto
mayor que 0,8. Las llamas inestables y/o desviadas pueden calentar
desproporcionadamente algunas cámaras de reacción (80) con respecto
a otras cámaras de reacción (80).
Generalmente, la anchura y la longitud del
extremo interior (50) es la misma que la anchura y longitud,
respectivamente, del horno. Para los fines de esta descripción la
relación de aspecto del horno se define por la relación de aspecto
del extremo interior (50). La relación de aspecto del extremo
interior (50) (relación de aspecto del horno) es la relación entre
la dimensión de anchura del horno y la dimensión de longitud de las
filas (dimensiones del interior del horno). La longitud de las
filas se refiere a la dirección de las filas primarias y la anchura
se refiere a la dirección de las filas secundarias.
Como se muestra en la Fig. 6, los conductos para
oxidante (11) pueden estar alineados en filas primarias y
secundarias. Las cámaras de reacción (80) también pueden estar
alineadas en filas primarias y secundarias. Una fila primaria de
cámaras de reacción (80) corresponde a una fila estrechamente
espaciada. Como se muestra en la Fig. 6, la línea
E-E pasa a través de una fila primaria de cámaras de
reacción (80). Una fila primaria de conductos para oxidante (11)
está alineada en paralelo, dentro de las tolerancias de
construcción, con las filas primarias de cámaras de reacción (80).
Por ejemplo, la línea D-D pasa a través de una fila
primaria de conductos para oxidante (11). Una fila secundaria está
alineada perpendicular, dentro de las tolerancias de la construcción
con las filas primarias de cámaras de reacción (80). Por ejemplo,
la línea A-A pasa a través de una fila secundaria
de conductos para oxidante.
Observaciones referentes a proyectos de
instalaciones de quemadores convencionales e instalación de
quemadores de baja generación NO_{x} se resumen en la Tabla I. En
la Tabla están representados cuatro hornos diferentes. Los casos 1
y 2 son el mismo horno. La longitud de la cámara de reacción
normalizada es la longitud de la cámara de reacción normalizada con
la longitud de la cámara de reacción del horno del caso 1. Los casos
1, 2, y 5 se refieren a hornos que tienen relaciones de aspecto más
grandes, que son mayores que 0,8, mientras que los casos 3 y 4 se
refieren a hornos que tienen relaciones de aspecto más pequeñas, que
son menores que 0,8. Los casos 1 a 4 se refieren a hornos que
tienen graduación de combustible, mientras que el caso 5 se refiere
a un horno que no tiene graduación de combustible. La "relación de
aspecto en 30%" es el valor calculado del área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el
segundo extremo interior del horno dividido por el área proyectada
horizontalmente del extremo interior (50).
Los resultados para los casos 3 y 4 sugieren que
la relación de aspecto en 30% puede no ser tan importante para los
hornos con relaciones de aspecto menores de 0,8, puesto que no se
observó impacto de llamas en las cámaras de reacción para
relaciones de áreas de 127% y 130%.
Los resultados para el caso 5 sugieren que la
relación de aspecto en 30% puede no ser tan importante para
hornos sin quemadores con combustible graduado, donde la relación de
aspecto del horno es mayor que 0,8, puesto que no se observó
impacto de llamas en las cámaras de reacción para una relación de
aspecto de 128%.
Sin embargo, los casos 1 y 2 ilustran un
hallazgo importante. Los casos 1 y 2 se refieren a un horno que
tiene una relación de aspecto de horno mayor 0,8 y que emplea
quemadores con graduación de combustible. En el caso 1, en donde la
relación de áreas en 30% era 108%, se observó impacto de llamas en
las cámaras de reacción, mientras que el caso 2 en donde la
relación de áreas en 30% era 104%, no se observó impacto de llamas
en las cámaras de reacción.
El caso 2 difiere del caso 1 debido a una
relación de áreas reducida en 30% como resultado de cinco conductos
para oxidante no utilizados (descritos con más detalle más
adelante).Los conductos para combustible asociados con los
conductos para oxidante no utilizados también estaban no
utilizados.
Estos resultados sugieren que para un horno que
tiene una relación de aspecto mayor que 0,8 y quemadores con
graduación de combustible, puede evitarse el impacto de llamas en
las cámaras de reacción (80) si la relación de aspecto en 30% es
aproximadamente 104% o menos.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con una realización de la invención,
el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el extremo
interior (50) hasta el extremo interior (60) se reduce entre 10% y
105% del área proyectada horizontalmente del extremo interior (50).
El área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el extremo
interior (50) hasta el extremo interior (60) puede ser reducida
entre 90% y 105%, o entre 90% y 104% del área proyectada
horizontalmente del extremo interior (50).
Reduciendo el área de chorro libre turbulento
proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el
extremo interior (50) hasta el extremo interior (60), se proporciona
suficiente espacio para hacer circular los gases del horno
enderezando con ello las llamas y proporcionando un calentamiento
más uniforme de las cámaras de reacción (80).
El área de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el extremo
interior (50) hasta el extremo interior (60) puede ser reducida por
cualquier número de medios. Puede ser reducida terminando la
introducción de oxidante a al menos una de la pluralidad de
conductos para oxidante (11). Se forma un conducto para oxidante no
utilizado cuando la introducción de oxidante se termina sustancial o
completamente. La introducción de oxidante se termina
sustancialmente si el chorro de aire resultante carece de suficiente
momento para penetrar 10% de la distancia media desde el extremo
interior (50) hasta el extremo interior (60). La contribución al
área combinada del chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente es cero para un conducto para oxidante no
utilizado. También puede terminarse la introducción de combustible
en los conductos para combustible (21) asociados con y/o adyacentes
a conductos no utilizados para oxidante.
La introducción de oxidante en múltiples
conductos para oxidante puede ser terminada para reducir el área
combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en
30% de la distancia media desde el extremo interior (50) hasta el
extremo interior (60). Los inventores han descubierto que pueden
obtenerse los resultados más favorables cuando los conductos para
oxidante no utilizados se colocan en una fila común secundaria. La
Fig. 6 muestra un ejemplo con tres conductos para oxidante (14) no
utilizados y asociados con los conductos para combustible (24) no
utilizados. Los conductos para oxidante no utilizados se muestran
colocados en una fila secundaria común.
Los casos 1 y 2 demuestran el impacto positivo
de los conductos para oxidante no utilizados. En el caso 2, estaban
inutilizados en el centro del horno cinco conductos para oxidante en
una fila secundaria. Las temperaturas de las paredes de los tubos
cerca del fondo del horno se midieron para cada una de las cámaras
de reacción usando un pirómetro óptico. La desviación típica global
para las temperaturas de las cámaras de reacción fueron 28,3ºC
(51ºF) y 18,9ºC (34ºF) para los casos 1 y 2, respectivamente.
Otro medio para reducir el área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el extremo interior (50) hasta el extremo
interior (60) es reducir el área de la sección transversal de al
menos una de la pluralidad de salidas de los conductos para
oxidante. Es fácilmente evidente por el cálculo del área combinada
de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente que la
reducción del área de la sección transversal de las salidas de los
conductos para oxidante afecta al área combinada de chorro libre
turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media
desde extremo interior (50) hasta el extremo interior (60). El
área de la sección transversal de las salidas para oxidante puede
ser reducida, por ejemplo, añadiendo un manguito refractario o
cerámico. El manguito puede ser una pieza o casquillo similar a un
tubo diseñado para encajar dentro del conducto para oxidante. La
Fig. 7 ilustra tres conductos para oxidante que tienen encajados
manguitos (15).
Otro medio para reducir el área combinada de
chorro libre proyectada horizontalmente en 30% de la distancia
media desde el extremo interior (50) hasta el extremo interior (60)
es reemplazar al menos una de las baldosas de quemador por una
baldosa de quemador que tenga una salida de conducto para oxidante
de diámetro más pequeño.
Los inventores también han descubierto que el
enderezamiento de la llama puede ser afectado por el ángulo de
introducción del combustible. En una realización de la invención
como la ilustrada en la Fig. 8, el método comprende además
introducir combustible desde al menos una de la pluralidad de
conductos para combustible (21) en el horno formando un ángulo con
la línea central del conducto para oxidante asociado (11). El ángulo
puede ser 1 a 90 grados con la vertical, o 15 a 60 grados con la
vertical, o 25 a 60 grados con la vertical, o 25 a 45 grados con la
vertical.
Se realizaron simulaciones por dinámica de
fluidos computacional teniendo cuatro de diez lanzas de combustible
formando ángulo con la línea central del conducto para oxidante
asociado. Las simulaciones sugirieron que por la introducción del
combustible formando un ángulo, se puede permitir una mayor área
combinada proyectada horizontalmente del chorro libre turbulento en
30% de la distancia media desde el extremo interior (50) hasta el
extremo interior (60) con relación al área proyectada
horizontalmente del extremo interior (50). La introducción del
combustible formando un ángulo con el chorro de aire asociado
adyacente reduce el diámetro eficaz del conducto para oxidante
permitiendo un área más gran chorro libre turbulento proyectado
horizontalmente con respecto al área proyectada horizontalmente del
extremo interior (50).
En otra realización la presente invención se
refiere a un horno para generar en él llamas enderezadas. El horno
puede estar construido por medios conocidos en la técnica. Haciendo
referencia a la Fig. 3, que ilustra una vista transversal a través
del horno (1), el horno del invento comprende una pluralidad de
conductos para oxidante (11). La pluralidad de conductos para
oxidante (11) puede estar alineada en filas primarias y secundarias.
Los conductos para oxidante (11) tienen salidas (12) que conectan
fluidamente con el interior del horno (1), en donde las salidas
(12) están próximas al extremo interior (50) del horno (1). Como se
muestra en la Fig. 3, el horno (1) también tiene un extremo
interior (60) que está enfrente del extremo interior (50). El horno
(1) puede tener al menos una superficie interna que conecta el
extremo interior (50) con el extremo interior (60) formado el
interior del horno. Los conductos para oxidante (11) tienen
geometrías similares o geometrías diferentes. Las salidas para
oxidante (12) pueden tener áreas de la sección transversal similares
o áreas de la sección transversal diferentes.
Como se ilustra en la vista en planta del horno
(1) en la Fig. 4, el extremo interior (50) tiene un área proyectada
horizontalmente (71), representada por el área sombreada
rectangular. Un área proyectada horizontalmente es el área
proyectada en un plano horizontal en una dirección perpendicular al
plano horizontal. En el caso de que el extremo interior (50) no sea
una superficie plana, por ejemplo una superficie inclinada o
arqueada, la superficie también puede estar proyectada sobre un
plano horizontal para dar un área proyectada horizontalmente. El
extremo interior (50) puede tener una relación de aspecto mayor que
0,8.
Como se representa en la Fig. 5, cada salida
para oxidante (12) define un área de chorro libre turbulento
proyectada horizontalmente (85) en 30% de la distancia media desde
el extremo interior (50) hasta el extremo interior (60). Sumadas,
estas áreas de chorro libre turbulento proyectadas horizontalmente
(85) representan un área combinada de chorro libre turbulento
proyectada horizontalmente.
Haciendo referencia de nuevo a la Fig. 3, el
horno de la invención comprende una pluralidad de conductos para
combustible (21). Como se muestra en la Fig. 3, los conductos para
combustible (21) están en relación espaciada con los conductos para
oxidante (11). Los conductos para combustible separados se denominan
a veces lanzas para graduación de combustible y las técnicas de
graduar combustible pueden ser eficaces para reducir las emisiones
de NO_{x} desde un horno como el que se acaba de mencionar.
Conductos múltiples para combustible (21) pueden
estar asociados con un solo conducto para oxidante (11). El número
de conductos para combustible (21) puede ser al menos cuatro veces
mayor que el número de conductos para oxidante (11). O como se
muestra en la Fig. 4, el número de conductos para combustible (21)
puede ser al menos 10 veces mayor que el número de conductos para
oxidante (11). Los conductos para combustible (21) tienen salidas
(22) que comunican fluidamente con el interior del horno (1), en
donde las salidas (22) están próximas al extremo interior (50) del
horno (1). Las salidas de los conductos para combustible (22) pueden
estar al ras con el extremo interior (50) o los conductos para
combustible (21) pueden extenderse en el horno de tal modo que las
salidas (22) están aguas abajo de las salidas para oxidante (12).
Los conductos para combustible (21) pueden tener geometrías
similares o geometrías diferentes. Las salidas para combustible
(22) pueden tener áreas de la sección transversal similares o áreas
de la sección transversal diferentes. Las salidas para combustible
(22) pueden tener secciones transversales especializadas como se
describe en la patente
US-A-6.866.503.
En una realización de la invención como la
ilustrada en la Fig. 8, los conductos para combustible (21) pueden
estar formando un ángulo con la línea central del conducto para
oxidante asociado (11). El ángulo puede ser 1 a 90 grados con la
vertical, o 15 a 60 grados con la vertical, o 25 a 60 grados con la
vertical, o 25 a 45 grados con la vertical.
Los conductos para oxidante (11) y los conductos
para combustible (21) pueden estar conformados en una baldosa o
bloque de quemador, que puede ser un material refractario.
El horno comprende además una pluralidad de
cámaras de reacción (80). En el caso de un reformador de metano con
vapor de agua, las cámaras de reacción (80) están al menos
parcialmente rellenas con catalizador de reformado. En el caso de
un horno de craqueo de etileno, las cámaras de reacción (80) pueden
o no pueden estar al menos parcialmente rellenas con un catalizador
de craqueo de etileno. Los catalizadores de reformado o de craqueo
de etileno son los usuales bien conocidos en la técnica. Las cámaras
de reacción (80) atraviesan el horno desde el extremo interior (50)
hasta el extremo interior (60). Las cámaras de reacción (80) tienen
una porción de extremo (81) en relación espaciada con la pluralidad
de conductos para oxidante (11) y los conductos para combustible
(21).
De acuerdo con una realización de la invención,
se proporciona el horno (1) donde el área combinada de chorro libre
turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media
desde el primer extremo interior (50) hasta un segundo extremo
interior (60) es entre 10% y 105% del área proyectada
horizontalmente del extremo interior (50). El área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el primer extremo interior (50) hasta el
segundo extremo interior (60) puede ser entre 90% y 105%, o entre
90% y 104% del área proyectada del extremo interior (50).
El horno puede ser diseñado y construido con un
área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente
en 30% de la distancia media desde el extremo interior (50) hasta
el extremo interior (60) entre 10% y 105%, o entre 90% y 105%, o
entre 90% y 104% del área proyectada horizontalmente del extremo
interior (50). Alternativamente, el horno puede ser modificado para
tener un área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer
extremo interior (50) hasta un segundo extremo interior (60) entre
10% y 105%, o entre 90% y 105%, o entre 90% y 104% del área
proyectada horizontalmente del extremo interior (50).
Un horno modificado puede tener medios para
reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo
interior (50) hasta el segundo extremo interior (60). Los medios
para reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente pueden comprender al menos un conducto para
oxidante no utilizado. Los medios para reducir el área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente pueden comprender
al menos dos conductos para oxidante no utilizados. En este caso,
los al menos dos conductos para oxidante no utilizados pueden estar
posicionados en una fila secundaria común.
Los medios para reducir el área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente pueden comprender
medios para reducir el área de la sección transversal de la salida
de al menos uno de la pluralidad de conductos para oxidante. El
área de la sección transversal de la salida para oxidante puede ser
reducida, por ejemplo, añadiendo un manguito refractario o
cerámico. El manguito puede ser una pieza o casquillo similar a un
tubo diseñado para encajar dentro del conducto para oxidante. La
Fig. 7 ilustra tres conductos para oxidante que han sido provistos
con manguitos (15).
Otro medio para reducir el área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el primer extremo interior (50) hasta un
segundo extremo interior (60) es reemplazar al menos una de las
baldosas de quemador por una baldosa de quemador que tiene una
salida de conducto para oxidante de diámetro más pequeño.
Aunque la invención se ha ilustrado y descrito
en la presente memoria con referencia a ciertas realizaciones
específicas, sin embargo la presente invención no pretende ser
limitada a los detalles mostrados. Es decir, pueden hacerse
diversas modificaciones en los detalles dentro del alcance de las
reivindicaciones siguientes.
Claims (17)
1. Un método para generar llamas enderezadas en
un horno, que comprende:
- \quad
- introducir un oxidante en una pluralidad de conductos para oxidante, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para oxidante una salida que comunica fluidamente con el interior del horno próximo a un primer extremo interior del horno, definiendo la pluralidad de salidas de los conductos para oxidante un área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta un segundo extremo interior del horno, estando el segundo extremo interior del horno enfrente del primer extremo interior del horno;
- \quad
- introducir un combustible en una pluralidad de conductos para combustible, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para combustible una salida que comunica fluidamente con el interior del horno próxima al primer extremo interior del horno, estando la pluralidad de conductos para combustible en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante;
- \quad
- mezclar el combustible y el oxidante en el interior del horno;
- \quad
- hacer reaccionar el combustible y el oxidante con lo cual se forma una pluralidad de porciones de llama;
- \quad
- transferir calor desde la pluralidad de porciones de llama a una pluralidad de cámaras de reacción, atravesando dicha pluralidad de cámaras de reacción desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno, teniendo dicha pluralidad de cámaras de reacción una porción de extremo en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante y en relación espaciada con la pluralidad de conductos para combustible; y
- \quad
- reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno a entre 10% y 105% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un método según la reivindicación 1, en
donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo
interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno se
reduce a entre 90% y 105% del área proyectada horizontalmente del
primer extremo interior.
3. Un método según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, en donde la etapa de reducir el área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el
segundo extremo interior del horno comprende terminar la
introducción del oxidante en al menos una de la pluralidad de
conductos para oxidante.
4. Un método según la reivindicación 3, que
comprende además terminar la introducción de combustible en una
pluralidad de conductos para combustible adyacente a al menos una de
la pluralidad de conductos para oxidante que tiene terminada la
introducción de oxidante.
5. Un método según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, en donde en la etapa de reducir el área combinada
de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el
segundo extremo interior del horno comprende terminar la
introducción del oxidante en al menos dos de la pluralidad de
conductos para oxidante.
6. Un método según la reivindicación 5, en
donde las al menos dos de la pluralidad de conductos para oxidante
están situadas en una fila secundaria común.
7. Un método según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, en donde la etapa de reducir el área combinada de
chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la
distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el
segundo extremo interior del horno comprende reducir el área de la
sección transversal de al menos una de la pluralidad de salidas de
los conductos para oxidante.
8. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde el oxidante procedente de al
menos una de la pluralidad de conductos para oxidante se introduce
en el horno sustancial y verticalmente hacia abajo.
9. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde el combustible procedente de
al menos una de la pluralidad de conductos para combustible se
introduce en el horno formando un ángulo con la línea central del
conducto para oxidante adyacente, en donde dicho ángulo es 25 a 60
grados con la vertical.
10. Un horno que comprende:
- \quad
- un primer extremo interior (50);
- \quad
- un segundo extremo interior (60) enfrente del primer extremo interior;
- \quad
- una pluralidad de conductos para oxidante (11) próxima al primer extremo interior, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para oxidante una salida (12) que comunica fluidamente con el interior del horno, definiendo dicha pluralidad de salidas de los conductos para oxidante un área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior;
- \quad
- una pluralidad de conductos para combustible (21) próxima al primer extremo interior, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para combustible una salida (22) que comunica fluidamente con el interior del horno, estando dicha pluralidad de conductos para combustible en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante; y
- \quad
- una pluralidad de cámaras de reacción alargada (80) que atraviesan el horno desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior, teniendo una porción de extremo (81) en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante y en relación espaciada con la pluralidad de conductos para combustible;
- \quad
- en donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior es entre 10% y 105% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Un horno según la reivindicación 10, en
donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo
interior hasta el segundo extremo interior es entre 90% y 105% del
área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.
12. Un horno según la reivindicación 10 o la
reivindicación 11, en donde el primer extremo interior tiene una
relación de aspecto mayor que 0,8.
13. Un horno según la reivindicación 12, en
donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo
interior hasta el segundo extremo interior es entre 90% y 104% del
área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.
14. Un horno según una cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 13, en donde el número de conductos para
combustible es al menos 4 veces mayor que el número de conductos
para oxidante.
15. Un horno según una cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 14, que comprende además medios (15) para
reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada
horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer
extremo interior hasta el segundo extremo interior.
16. Un horno según la reivindicación 15, en
donde los medios para reducir el área combinada de chorro libre
turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media
desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior
comprenden medios (15) para reducir el área de la sección
transversal de la salida de al menos una de la pluralidad de
conductos para oxidante.
17. Un horno según una cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 16, en donde al menos una de la pluralidad de
conductos para combustible (21) forma un ángulo con la línea central
de un conducto oxidante adyacente (11), en donde dicho ángulo es 25
a 60 grados con la vertical.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US266560 | 1999-03-11 | ||
| US11/266,560 US7686611B2 (en) | 2005-11-03 | 2005-11-03 | Flame straightening in a furnace |
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