ES2336136T3 - Enderezamiento de llama en un horno. - Google Patents

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William Robert Licht
Stephen Paul Dimartino, Sr
Xianming Jimmy Li
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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
1
donde
2
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.
3
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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.
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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.
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