ES2360589T3 - IMPROVED PROCESS OF FUEL SCALE CONTRIBUTION FOR LOW NOx OPERATIONS. - Google Patents

IMPROVED PROCESS OF FUEL SCALE CONTRIBUTION FOR LOW NOx OPERATIONS. Download PDF

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ES2360589T3 ES04026942T ES04026942T ES2360589T3 ES 2360589 T3 ES2360589 T3 ES 2360589T3 ES 04026942 T ES04026942 T ES 04026942T ES 04026942 T ES04026942 T ES 04026942T ES 2360589 T3 ES2360589 T3 ES 2360589T3
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Mahendra Ladharam Joshi
Xianming Jimmy Li
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Abstract

A method for diluting a fuel to reduce NOx uses a fuel dilution device, which includes: a first conduit having an inlet and an outlet, the first conduit adapted to transmit a stream of a fuel entering the inlet and exiting the outlet at a first thermodynamic state and a first fuel index; and a second conduit having an intake and an outtake, the second conduit adapted to transmit a stream of a fluid entering the intake and exiting the outtake at a second/different thermodynamic state and a second fuel index different from the first fuel index by at least about 0.1, whereby a potential for mixing exists between the two streams exiting the outlet and the outtake, and at least some of the fuel mixes with at least some of the fluid near the outlet and the outtake, thereby generating a diluted fuel stream having an intermediate fuel index. <IMAGE>

Description

Antecedentes de la invención Background of the invention

La presente invención se refiere a procesos y sistemas de aportación escalonada del combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx), y en particular a tales procesos y sistemas que usan puntas de dilución de combustible en quemadores de Nox bajo. The present invention relates to processes and systems of stepped fuel input to reduce nitrogen oxide (NOx) emissions, and in particular to such processes and systems that use fuel dilution tips in low Nox burners.

Uno de los retos a los que se enfrenta la industria de procesos químicos (CPI) es la combustión de combustibles residuales por razones económicas y que al mismo tiempo cumplir los requisitos de emisiones de bajo contenido de NOx y CO. Los combustibles residuales contienen una mezcla de gases de relación C/H más alta que se queman con llamas muy luminosas debido a oxidación de carbono y también producen partículas de hollín o carbono dependiendo del proceso de combustión. La composición típica del combustible de refinería contiene cantidades variables de combustibles y gases inertes (por ejemplo, C1, C2, C3 Cn, olefinas, hidrógeno, nitrógeno, CO2, vapor de agua). Si se forman partículas de carbono u hollín en las puntas de combustible, la estructura de hollín crece generalmente bajo condiciones favorables de presión y temperatura existentes cerca de la salida de la punta. Esto podría dar lugar a bloqueo de inyección de combustible, deflexión del chorro de combustible, y sobrecalentamiento de las puntas y partes del horno, tales como los tubos de proceso y las paredes refractarias, y a la parada potencial de la operación de los quemadores y del horno. La parada de un horno podría dar lugar a significativas cargas financieras, incluyendo la responsabilidad que surge de la interrupción de procesos posteriores. One of the challenges facing the chemical process industry (CPI) is the combustion of residual fuels for economic reasons and that at the same time meet the requirements for low NOx and CO emissions. Residual fuels contain a mixture of higher C / H gases that burn with very bright flames due to carbon oxidation and also produce soot or carbon particles depending on the combustion process. The typical composition of the refinery fuel contains varying amounts of inert fuels and gases (for example, C1, C2, C3 Cn, olefins, hydrogen, nitrogen, CO2, water vapor). If carbon or soot particles form on the fuel tips, the soot structure generally grows under favorable conditions of pressure and temperature existing near the tip outlet. This could result in blockage of fuel injection, deflection of the fuel jet, and overheating of the tips and parts of the furnace, such as process tubes and refractory walls, and the potential shutdown of the operation of the burners and the oven. The shutdown of a furnace could lead to significant financial burdens, including the responsibility that arises from the interruption of subsequent processes.

Los combustibles de refinería sucios que constan de carbono superior y que contienen gases tales como acetileno, etano, propano, butano y olefinas (por ejemplo, etileno y propileno) producen generalmente partículas de hollín si las puntas de combustible se someten a: Dirty refinery fuels consisting of higher carbon and containing gases such as acetylene, ethane, propane, butane and olefins (for example, ethylene and propylene) generally produce soot particles if the fuel tips are subjected to:

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Mezcla inadecuada en el horno (dependiendo de que el número de chorros, geometría de los chorros, ángulos de inyección y velocidades de inyección no sean óptimos) (generalmente clasificados como un problema de diseño del quemador);  Inadequate mixing in the oven (depending on the number of jets, jet geometry, injection angles and injection speeds are not optimal) (generally classified as a burner design problem);

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Falta de aire de combustión o de oxidante disponible cerca de los chorros de combustible (generalmente clasificados como un problema de configuración del flujo de los quemadores);  Lack of combustion or oxidant air available near the fuel jets (generally classified as a burner flow configuration problem);

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Inadecuado enfriamiento de las puntas de combustible (exposición regular a la radiación del horno) (generalmente clasificado como un problema de diseño del quemador y la configuración de la punta de combustible); Inadequate cooling of the fuel tips (regular exposure to furnace radiation) (generally classified as a problem of burner design and fuel tip configuration);

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Interrupción de los flujos de combustible (fiabilidad del equipo de combustible situado hacia arriba) (generalmente clasificado como un problema de proceso);  Interruption of fuel flows (reliability of fuel equipment located upwards) (generally classified as a process problem);

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Operación de combustión más baja (tasas de flujo de combustible más bajas debido a bajada del proceso) (generalmente clasificado como un problema de proceso); o  Lower combustion operation (lower fuel flow rates due to lowering of the process) (generally classified as a process problem); or

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Fluctuación de la composición del combustible de refinería en términos de especies conteniendo carbono (generalmente clasificado como un problema de requisitos del proceso).  Fluctuation of the composition of the refinery fuel in terms of carbon-containing species (generally classified as a problem of process requirements).

El diseño del quemador o las puntas afecta de forma significativa al sobrecalentamiento de las puntas, producción de hollín, obturación de las puntas, y frecuente mantenimiento resultante del equipo quemador. Estos problemas se complican por las condiciones cambiantes del proceso, tales como extremo bajo de la bajada del proceso y/o interrupción de los flujos de combustible, que afectan al enfriamiento requerido necesario en las puntas de combustible. Las condiciones cambiantes del proceso y los cambios de la composición del combustible son comunes en la operación de la refinería. The design of the burner or the tips significantly affects the overheating of the tips, soot production, sealing of the tips, and frequent maintenance resulting from the burner equipment. These problems are complicated by changing process conditions, such as low end of the process drop and / or interruption of fuel flows, which affect the required cooling required at the fuel tips. Changing process conditions and changes in fuel composition are common in the operation of the refinery.

Otro reto al que se enfrenta la CPI es el requisito de emisiones de bajo contenido de NOx para cumplir las normas sobre emisiones. Hay varias zonas en los Estados Unidos donde las normas relativas a NOx (según la ley del Aire Puro de 1990) requieren que las emisiones de los calefactores de proceso, calderas, turbinas de gas, y demás equipos de combustión estacionarios sean inferiores a 10 ppm de NOx. La solución más común o BACT (mejor tecnología de control disponible) en la CPI es usar un SCR (reactor catalítico selectivo) para post-limpieza de gases de combustión para reducción del contenido de NOx en la corriente de gases de escape (convirtiendo NOx a N2) usando inyección de amoníaco dentro de un reactor catalítico grande. Este proceso requiere mucho capital y requiere cantidades significativas de amoníaco, aire caliente y electricidad para la operación del ventilador ID. Another challenge that the ICC faces is the requirement of low NOx emissions to meet emission standards. There are several areas in the United States where NOx standards (according to the Pure Air Act of 1990) require that emissions from process heaters, boilers, gas turbines, and other stationary combustion equipment be less than 10 ppm. of NOx. The most common solution or BACT (best available control technology) in the ICC is to use a SCR (selective catalytic reactor) for post-cleaning flue gas to reduce the NOx content in the exhaust gas stream (converting NOx to N2) using ammonia injection into a large catalytic reactor. This process requires a lot of capital and requires significant amounts of ammonia, hot air and electricity for the operation of the ID fan.

La mayoría de las refinerías desearía evitar la instalación de SCR y usar en su lugar quemadores de Nox bajo para cumplir sus requisitos de NOx. Sin embargo, los quemadores de NOx bajo no han producido sistemáticamente menos de 10 ppm de NOx en varias aplicaciones de calentamiento de procesos, tales como reformadores de vapor de metano (SMR), calefactores de crudo, crackers de etileno, o calderas. Por esta razón, el uso de quemadores de Nox bajo no ha sido certificado por las agencias reguladoras como la BACT. En otros términos, SCR actualmente es la única solución comercialmente viable para cumplir los estrictos niveles de NOx en regiones de cumplimiento de ozono donde la concentración de ozono a nivel de tierra excede de los límites legales. Most refineries would like to avoid installing SCRs and instead use low Nox burners to meet their NOx requirements. However, low NOx burners have not consistently produced less than 10 ppm NOx in various process heating applications, such as methane steam reformers (SMR), crude heaters, ethylene crackers, or boilers. For this reason, the use of low Nox burners has not been certified by regulatory agencies such as the BACT. In other words, SCR is currently the only commercially viable solution to meet strict NOx levels in ozone compliance regions where ground level ozone concentration exceeds legal limits.

Típicamente, los operadores en la CPI utilizan gas natural limpio o una mezcla óptima de gas natural y combustibles de refinería sucios para reducir las cargas de los problemas de mantenimiento. Sin embargo, debido a la escasez del gas natural y el alto costo de los combustibles, no siempre es posible que las industrias de proceso utilicen gas natural limpio para combustión. Las refinerías que pueden quemar combustibles residuales tienen típicamente una productividad más alta y un estado competitivo relativamente favorable en comparación con otras refinerías que infrautilizan el potencial de los combustibles residuales. Typically, operators at the ICC use clean natural gas or an optimal mixture of natural gas and dirty refinery fuels to reduce the burden of maintenance problems. However, due to the shortage of natural gas and the high cost of fuels, it is not always possible for process industries to use clean natural gas for combustion. Refiners that can burn residual fuels typically have higher productivity and a relatively favorable competitive status compared to other refineries that underuse the potential of residual fuels.

Con respecto a reducción de NOx, los métodos comunes de control de NOx incluyen la utilización de quemadores de Nox bajo equipados con niveles más altos de aportación escalonada del combustible y dilución de aire/combustible con recirculación de gases de combustión (FGR). Inyectando especies químicas no reactivas o inertes en la mezcla de combustible/oxidante, se reduce la temperatura media de la llama y, por ello, se reducen las emisiones de NOx. Sin embargo, estos métodos requieren costos adicionales de tuberías y energía asociados con el transporte de gases de combustión. Además, hay una carga de energía debida al calentamiento requerido de los gases desde la temperatura ambiente a la temperatura de proceso. Además, los datos de campo publicados en la literatura no indican que estos métodos logren un rendimiento inferior a 10 ppm de NOx. With respect to NOx reduction, common NOx control methods include the use of low Nox burners equipped with higher levels of staggered fuel input and air / fuel dilution with flue gas recirculation (FGR). By injecting non-reactive or inert chemical species into the fuel / oxidant mixture, the average flame temperature is reduced and, therefore, NOx emissions are reduced. However, these methods require additional pipe and energy costs associated with the transport of combustion gases. In addition, there is an energy charge due to the required heating of the gases from room temperature to the process temperature. In addition, the field data published in the literature does not indicate that these methods achieve a yield of less than 10 ppm of NOx.

Se han desarrollado varios dispositivos y métodos que usan aportación escalonada del combustible con el objetivo de reducir las emisiones de NOx. Varios de ellos se explican a continuación. Several devices and methods have been developed that use phased fuel input with the aim of reducing NOx emissions. Several of them are explained below.

La Solicitud de Patente de Estados Unidos número 2003/0148236 (Joshi y colaboradores) describe un quemador de NOx ultra bajo que usa boquilla de aportación escalonada de combustible. El quemador tiene ocho lanzas de aportación escalonada del combustible situadas alrededor del cuerpo principal del quemador. La parte central del quemador se usa para suministrar 100% del aire de combustión y se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible (-10%) para la estabilidad general de la llama. El resto del combustible (- 90%) es inyectado usando múltiples lanzas de aportación escalonada del combustible. Las lanzas de aportación escalonada del combustible tienen puntas de boquilla de combustible especiales con dos agujeros circulares. Como se representa en las figuras 1A-1C, estas lanzas tienen ángulos de divergencia axial y radial para mezcla retardada con el aire de combustión y arrastre de los gases de horno debido a una velocidad de chorro relativamente alta (152 a 305 m/s (500 a 1.000 pies/segundo) o una presión de suministro de combustible de 34500 a 103000 N/m2 (5 a 15 psig) dependiendo de la tasa de combustión). US Patent Application No. 2003/0148236 (Joshi et al.) Describes an ultra-low NOx burner that uses a stepped fuel nozzle. The burner has eight staggered fuel lances located around the main body of the burner. The central part of the burner is used to supply 100% of the combustion air and a very small amount of fuel (-10%) is injected for the overall stability of the flame. The rest of the fuel (- 90%) is injected using multiple lances of stepped fuel input. The staggered fuel lances have special fuel nozzle tips with two circular holes. As shown in Figures 1A-1C, these lances have axial and radial divergence angles for delayed mixing with combustion air and furnace entrainment due to a relatively high jet velocity (152 to 305 m / s ( 500 to 1,000 feet / second) or a fuel supply pressure of 34,500 to 103,000 N / m2 (5 to 15 psig) depending on the combustion rate).

La Patente de Estados Unidos número 6.383.462 (Lang) describe un método y un aparato que tiene una cámara de mezcla fuera del “quemador y horno” para mezclar gases de combustión del horno con el gas combustible, como se representa en la figura 2. Se utiliza una mezcladora venturi convergente divergente para diluir más el gas combustible con gas de promoción de flujo adicional. La mezcla resultante (combustible diluido con gases de combustión) es enviada posteriormente al quemador donde la mezcla se combina con el aire de combustión y quema en el horno. Dependiendo del nivel de dilución de los gases de combustión se puede obtener una reducción de emisiones de NOx de 26 ppm a 14 ppm. Este aparato y método no reducen las emisiones de NOx por debajo de 10 ppm y los resultados no son comparables a los que se logran típicamente con tecnología SCR. US Patent No. 6,383,462 (Lang) describes a method and an apparatus that has a mixing chamber outside the "burner and oven" for mixing combustion gases of the furnace with the combustible gas, as shown in Figure 2. A divergent convergent venturi mixer is used to further dilute the combustible gas with additional flow promotion gas. The resulting mixture (fuel diluted with combustion gases) is subsequently sent to the burner where the mixture is combined with combustion air and burns in the oven. Depending on the level of dilution of the flue gases, a reduction of NOx emissions from 26 ppm to 14 ppm can be obtained. This apparatus and method do not reduce NOx emissions below 10 ppm and the results are not comparable to those typically achieved with SCR technology.

La Patente de Estados Unidos número 6.481.209 (Johnson y colaboradores) describe un sistema de aportación escalonada del combustible adecuado para motores de turbina de gas. Se logra una eficiente combustión con aire con menores emisiones de NOx y CO dividiendo la inyección de combustible en dos etapas: 1) inyectores instalados en mezcladores de remolino, y 2) inyectores instalados en la región de torbellino atrapado del combustor. Sin embargo, este esquema de inyección no es adecuado para hornos grandes donde las zonas de vórtice atrapado no son posibles debido a la geometría del horno y la carga. US Patent No. 6,481,209 (Johnson et al.) Describes a stepped fuel delivery system suitable for gas turbine engines. Efficient combustion is achieved with air with lower NOx and CO emissions by dividing the fuel injection into two stages: 1) injectors installed in eddy mixers, and 2) injectors installed in the trapped whirlwind region of the combustor. However, this injection scheme is not suitable for large ovens where trapped vortex zones are not possible due to the furnace geometry and load.

La Patente de Estados Unidos número 6.558.154 (Eroglu y colaboradores) describe una estrategia de aportación escalonada de combustible basada en control para un aeromotor en el que se usan dos boquillas de aportación escalonada del combustible instrumentadas separadas. Se ha instalado un conjunto de sensores de emisión y pulsación hacia abajo de cada zona de escalonamiento. Estos sensores miden la calidad de productos de combustión salidos de cada zona de escalonamiento y posteriormente una unidad de control varía las cantidades relativas de combustibles inyectados en cada zona dependiendo de las condiciones operativas y medioambientales cambiantes. US Patent No. 6,558,154 (Eroglu et al.) Describes a control-based staggered fuel supply strategy for an air motor in which two separate staggered fuel input nozzles are used. A set of emission sensors and downward pulsation of each step zone has been installed. These sensors measure the quality of combustion products from each stepping zone and subsequently a control unit varies the relative amounts of fuels injected into each zone depending on changing operating and environmental conditions.

La Patente de Estados Unidos número 5.601.424 (Bernstein y colaboradores) describe un método para reducir NOx usando control de inyección de vapor atomizante. Los niveles de NOx se reducen añadiendo a la llama del quemador vapor atomizante, que está disponible para atomización de aceite combustible. Para una reducción de 30% e NOx se necesita aproximadamente 0,227 kg de vapor/0,454 kg de flujo de combustible (0,5 libras de vapor/libras de flujo de combustible). Se necesita una gran cantidad de vapor para reducir la temperatura de la llama y obtener una reducción de NOx requerida. Además, si se usa una gran cantidad de vapor para enfriar rápidamente la llama, hay posibilidad de inestabilidad de la llama y deposición catódica. Así, hay un límite superior para la inyección de vapor por motivos de estabilidad de la llama. US Patent No. 5,601,424 (Bernstein et al.) Describes a method for reducing NOx using atomizing vapor injection control. NOx levels are reduced by adding atomizing steam to the burner flame, which is available for fuel oil atomization. For a reduction of 30% and NOx, approximately 0.227 kg of steam / 0.454 kg of fuel flow (0.5 pounds of steam / pounds of fuel flow) is required. A large amount of steam is needed to reduce the flame temperature and obtain a required NOx reduction. In addition, if a large amount of steam is used to rapidly cool the flame, there is a possibility of flame instability and cathodic deposition. Thus, there is an upper limit for steam injection for reasons of flame stability.

La industria de las turbinas de gas también usa una técnica similar de inyección de vapor para control de NOx. Sin embargo, debido a un modo ineficiente de inyección de vapor, se paga una gran carga económica para reducir las emisiones de NOx. El consumo de vapor es muy grande, y la técnica es relativamente ineficiente y de costo no razonable para control de NOx. The gas turbine industry also uses a similar steam injection technique for NOx control. However, due to an inefficient mode of steam injection, a large economic charge is paid to reduce NOx emissions. The steam consumption is very large, and the technique is relatively inefficient and of unreasonable cost for NOx control.

Se desea tener un aparato y método de reconversión de costo razonable para la reducción de las emisiones de NOx, que proporcionen la capacidad de quemar gases residuales de refinería sin excesivas emisiones de NOx. It is desired to have a reasonable cost reconversion apparatus and method for the reduction of NOx emissions, which provide the ability to burn refinery waste gases without excessive NOx emissions.

También se desea tener un aparato y método que reduzcan el mantenimiento del equipo debido a problemas tal como obturación de las puntas del quemador y sobrecalentamiento de las tuberías de proceso, y que proporcione beneficios adicionales de mejor eficiencia del combustible y productividad del horno. It is also desired to have an apparatus and method that reduce the maintenance of the equipment due to problems such as plugging of the burner tips and overheating of the process pipes, and providing additional benefits of improved fuel efficiency and kiln productivity.

También se desea tener un aparato y método que permitan que los quemadores corrientes de Nox bajo cumplan los requisitos del nivel de NOx de SCR permitiendo a las refinerías cumplir las normas relativas a NOx sin usar la tecnología SCR de gran coste de capital. It is also desired to have an apparatus and method that allows low Nox current burners to meet the requirements of the NOx level of SCR allowing refineries to comply with NOx standards without using SCR technology of high capital cost.

También se desea tener un aparato y método que permitan a las industrias de proceso consumir combustible residual más barato sin incurrir en cargas de problemas de mantenimiento tales como obturación de las puntas, sobrecalentamiento del equipo, interrupciones del proceso, etc, cumpliendo al mismo tiempo las normas relativas a NOx produciendo emisiones de menos de 10 ppm de NOx. It is also desired to have an apparatus and method that allow the process industries to consume cheaper residual fuel without incurring loads of maintenance problems such as tip seals, equipment overheating, process interruptions, etc., while complying with the NOx standards producing emissions of less than 10 ppm NOx.

También se desea tener un aparato y método para quemar un combustible que proporcionen mejor rendimiento que la técnica anterior, y que también superen muchas de las dificultades y desventajas de la técnica anterior al objeto de obtener resultados mejores y más ventajosos. It is also desired to have an apparatus and method for burning a fuel that provide better performance than the prior art, and which also overcome many of the difficulties and disadvantages of the prior art in order to obtain better and more advantageous results.

Breve resumen de la invención Brief Summary of the Invention

La presente invención es un método y un sistema para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible. La invención también incluye un dispositivo de dilución de combustible que puede ser usado en el método o el sistema. The present invention is a method and system for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through staggered fuel delivery. The invention also includes a fuel dilution device that can be used in the method or system.

Hay múltiples pasos en una primera realización del método para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible. El primer paso es proporcionar un dispositivo de dilución de combustible, que incluye: un primer conducto que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto para transmitir una corriente del combustible que entra en la entrada y que sale de la salida en un primer estado termodinámico y un primer índice de combustible; y un segundo conducto que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y que sale de la evacuación en un segundo estado termodinámico y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo el segundo estado termodinámico diferente del primer estado termodinámico, por lo que existe un potencial de mezcla entre la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto y la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto. El segundo paso es alimentar la corriente del combustible a la entrada del primer conducto, saliendo dicha corriente del combustible de la salida del primer conducto en el primer estado termodinámico y el primer índice de combustible. El tercer paso es alimentar la corriente del fluido a la admisión del segundo conducto, saliendo dicha corriente del fluido de la evacuación del segundo conducto en el segundo estado termodinámico y el segundo índice de combustible, por lo que al menos una porción de la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto se mezcla con al menos una porción de la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto en una posición próxima a la salida y la evacuación, generando por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible. El cuarto paso es proporcionar una fuente de un oxidante. El quinto paso es quemar una porción del oxidante con al menos una porción de al menos una de la corriente del combustible, o la corriente del fluido, o la corriente de combustible diluido, generando por ello un gas conteniendo una cantidad reducida de óxido de nitrógeno, siendo dicha cantidad reducida de óxido de nitrógeno menor que una cantidad más alta de óxido de nitrógeno que se generaría quemando el combustible usando unos medios distintos del dispositivo de dilución de combustible. There are multiple steps in a first embodiment of the method for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel input. The first step is to provide a fuel dilution device, which includes: a first conduit having an inlet and an outlet spaced from the inlet, the first conduit being adapted to transmit a stream of fuel entering the inlet and leaving the output in a first thermodynamic state and a first fuel index; and a second conduit having an intake and a spaced outflow of the intake, the second conduit being adapted to transmit a current of a fluid entering the intake and exiting the evacuation in a second thermodynamic state and a second fuel index , the second fuel index being different from the first fuel index by at least about 0.1 and the second thermodynamic state being different from the first thermodynamic state, whereby there is a potential for mixing between the current of the fuel leaving the outlet of the first conduit and the flow of the fluid that comes out of the evacuation of the second conduit. The second step is to feed the fuel stream to the inlet of the first duct, said fuel stream leaving the outlet of the first duct in the first thermodynamic state and the first fuel index. The third step is to feed the fluid stream to the admission of the second duct, said stream flowing out of the outlet of the second duct in the second thermodynamic state and the second fuel index, whereby at least a portion of the stream of the fuel leaving the outlet of the first duct is mixed with at least a portion of the fluid stream that comes out of the evacuation of the second duct in a position close to the outlet and the evacuation, thereby generating at least one stream of diluted fuel which has an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index. The fourth step is to provide a source of an oxidant. The fifth step is to burn a portion of the oxidant with at least a portion of at least one of the fuel stream, or the fluid stream, or the diluted fuel stream, thereby generating a gas containing a reduced amount of nitrogen oxide. , said reduced amount of nitrogen oxide being less than a higher amount of nitrogen oxide that would be generated by burning the fuel using means other than the fuel dilution device.

Hay muchas variaciones de la primera realización del método. En una variación, el fluido es un combustible. En otra variación, el fluido se selecciona de un grupo que consta de vapor, gases de combustión, dióxido de carbono, nitrógeno, argón, helio, xenón, criptón, otros fluidos inertes, y sus mezclas o combinaciones. There are many variations of the first embodiment of the method. In a variation, the fluid is a fuel. In another variation, the fluid is selected from a group consisting of steam, flue gases, carbon dioxide, nitrogen, argon, helium, xenon, krypton, other inert fluids, and mixtures or combinations thereof.

En otra variación de la primera realización del método, el primer conducto está adyacente al segundo conducto. En otra variación, al menos una porción sustancial del segundo conducto está dispuesta en el primer conducto. En otra variación, el segundo conducto tiene un diámetro equivalente (Dc) y la evacuación del segundo conducto está situada a una distancia detrás de la salida del primer conducto, estando dicha distancia en un rango de aproximadamente (2 Dc) a aproximadamente (20 Dc). In another variation of the first embodiment of the method, the first conduit is adjacent to the second conduit. In another variation, at least a substantial portion of the second conduit is disposed in the first conduit. In another variation, the second conduit has an equivalent diameter (Dc) and the evacuation of the second conduit is located at a distance behind the exit of the first conduit, said distance being in a range of approximately (2 Dc) to approximately (20 Dc ).

Una segunda realización del método para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible es similar a la primera realización, pero incluye dos pasos adicionales. El primer paso adicional es proporcionar un turbulenciador dispuesto en el segundo conducto. El segundo paso adicional es transmitir al menos una porción de la corriente del fluido a través del turbulenciador, arremolinando por ello al menos una porción del fluido que sale del segundo conducto. A second embodiment of the method for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel input is similar to the first embodiment, but includes two additional steps. The first additional step is to provide a turbulence arranged in the second conduit. The second additional step is to transmit at least a portion of the fluid stream through the turbulence, thereby swirling at least a portion of the fluid exiting the second conduit.

Según la invención, una boquilla de cremallera está dispuesta en comunicación de fluido con la salida del primer conducto. Esto permite transmitir a través de la boquilla de cremallera al menos una porción de una corriente de combustible diluido. According to the invention, a rack nozzle is arranged in fluid communication with the outlet of the first conduit. This allows at least a portion of a stream of diluted fuel to be transmitted through the rack nozzle.

Otra realización del método es similar a la primera realización, pero incluye el paso adicional de colocar el dispositivo de dilución de combustible en comunicación de fluido con un horno conteniendo una cantidad de un gas de horno, por lo que al menos una porción de la cantidad del gas de horno se mezcla con al menos una porción de la corriente de combustible diluido. Another embodiment of the method is similar to the first embodiment, but includes the additional step of placing the fuel dilution device in fluid communication with an oven containing an amount of an oven gas, whereby at least a portion of the amount of the oven gas is mixed with at least a portion of the diluted fuel stream.

Otra realización de un método para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible incluye múltiples pasos. El primer paso es proporcionar un dispositivo de dilución de combustible, que incluye: un primer conducto que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto para transmitir una corriente del combustible que entra en la entrada y que sale de la salida a una primera presión, una primera velocidad, y un primer índice de combustible; y un segundo conducto que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y que sale de la evacuación a una segunda presión, una segunda velocidad, y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo al menos una de la segunda presión y la segunda velocidad diferente de al menos una de la primera presión y la primera velocidad, por lo que existe un potencial de mezcla entre la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto y la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto. El segundo paso es alimentar la corriente del combustible a la entrada del primer conducto, saliendo dicha corriente del combustible de la salida del primer conducto a la primera presión, la primera velocidad, y el primer índice de combustible. El tercer paso es alimentar la corriente del fluido a la admisión del segundo conducto, saliendo dicha corriente del fluido de la evacuación del segundo conducto a la segunda presión, la segunda velocidad, y el segundo índice de combustible, por lo que al menos una porción de la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto se mezcla con al menos una porción de la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto en una posición próxima a la salida y la evacuación, generando por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible. El cuarto paso es proporcionar una fuente de un oxidante. El quinto paso es quemar una porción del oxidante con al menos una porción de al menos una de la corriente del combustible, o la corriente del fluido, o la corriente de combustible diluido, generando por ello un gas conteniendo una cantidad reducida de óxido de nitrógeno, siendo dicha cantidad reducida de óxido de nitrógeno menor que una cantidad más alta de óxido de nitrógeno que se generaría quemando el combustible usando unos medios distintos del dispositivo de dilución de combustible. Another embodiment of a method for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel input includes multiple steps. The first step is to provide a fuel dilution device, which includes: a first conduit having an inlet and an outlet spaced from the inlet, the first conduit being adapted to transmit a stream of fuel entering the inlet and leaving the output at a first pressure, a first speed, and a first fuel index; and a second conduit having an intake and a spaced outflow of the intake, the second conduit being adapted to transmit a current of a fluid entering the intake and exiting the evacuation at a second pressure, a second speed, and a second fuel index, the second fuel index being different from the first fuel index by at least about 0.1 and at least one of the second pressure and the second speed being different from at least one of the first pressure and the first speed , so there is a potential for mixing between the fuel stream leaving the first duct outlet and the fluid stream exiting the second duct drain. The second step is to feed the fuel stream to the inlet of the first duct, said fuel stream leaving the outlet of the first duct at the first pressure, the first speed, and the first fuel index. The third step is to feed the fluid stream to the admission of the second conduit, said flow of the fluid flowing from the evacuation of the second conduit to the second pressure, the second velocity, and the second fuel index, whereby at least a portion of the fuel stream leaving the outlet of the first conduit is mixed with at least a portion of the fluid flow leaving the evacuation of the second conduit in a position close to the outlet and the evacuation, thereby generating at least one diluted fuel stream having an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index. The fourth step is to provide a source of an oxidant. The fifth step is to burn a portion of the oxidant with at least a portion of at least one of the fuel stream, or the fluid stream, or the diluted fuel stream, thereby generating a gas containing a reduced amount of nitrogen oxide. , said reduced amount of nitrogen oxide being less than a higher amount of nitrogen oxide that would be generated by burning the fuel using means other than the fuel dilution device.

Hay múltiples elementos en una primera realización de un dispositivo de dilución de combustible para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible. El primer elemento es un primer conducto que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto para transmitir una corriente de un combustible que entra en la entrada y que sale de la salida en un primer estado termodinámico y un primer índice de combustible. El segundo elemento es un segundo conducto que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y que sale de la evacuación en un segundo estado termodinámico y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo el segundo estado termodinámico diferente del primer estado termodinámico, por lo que existe un potencial de mezcla entre la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto y la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto, por lo que al menos una porción de la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto se mezcla con al menos una porción de la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto en una posición próxima a la salida y la evacuación, generando por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible. El tercer elemento es una fuente de un oxidante. El cuarto elemento son unos medios para quemar una porción del oxidante con al menos una porción de al menos una de la corriente del combustible, o la corriente del fluido, o la corriente de combustible diluido, generando por ello un gas conteniendo una cantidad reducida de óxido de nitrógeno, siendo dicha cantidad reducida de óxido de nitrógeno menor que una cantidad más alta de óxido de nitrógeno que se generaría quemando el combustible usando unos medios distintos del dispositivo de dilución de combustible. There are multiple elements in a first embodiment of a fuel dilution device to dilute a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel input. The first element is a first conduit that has an input and an output spaced from the input, the first conduit being adapted to transmit a current of a fuel entering the input and leaving the output in a first thermodynamic state and a first fuel index The second element is a second conduit that has an admission and a spaced evacuation of the admission, the second conduit being adapted to transmit a current of a fluid entering the admission and exiting the evacuation in a second thermodynamic state and a second fuel index, the second fuel index being different from the first fuel index by at least about 0.1 and the second thermodynamic state being different from the first thermodynamic state, whereby there is a potential for mixing between the current of the fuel leaving of the outlet of the first duct and the flow of the fluid that comes out of the evacuation of the second duct, whereby at least a portion of the fuel stream that exits the outlet of the first duct is mixed with at least a portion of the stream of the fluid that comes out of the evacuation of the second conduit in a position close to the exit and the evacuation, generating therefore at least one diluted fuel stream having an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index. The third element is a source of an oxidant. The fourth element is means for burning a portion of the oxidant with at least a portion of at least one of the fuel stream, or the fluid stream, or the diluted fuel stream, thereby generating a gas containing a reduced amount of nitrogen oxide, said reduced amount of nitrogen oxide being less than a higher amount of nitrogen oxide that would be generated by burning the fuel using means other than the fuel dilution device.

Hay muchas variaciones de la primera realización del dispositivo de dilución de combustible. En una variación, el fluido es un combustible. En otra variación, el fluido se selecciona de un grupo que consta de vapor, gases de combustión, dióxido de carbono, nitrógeno, argón, helio, xenón, criptón, otros fluidos inertes, y mezclas o sus combinaciones. There are many variations of the first embodiment of the fuel dilution device. In a variation, the fluid is a fuel. In another variation, the fluid is selected from a group consisting of steam, flue gases, carbon dioxide, nitrogen, argon, helium, xenon, krypton, other inert fluids, and mixtures or combinations thereof.

En otra variación, el primer conducto está adyacente al segundo conducto. En otra variación, al menos una porción sustancial del segundo conducto está dispuesta en el primer conducto. En otra variación, el segundo conducto tiene un diámetro equivalente (Dc) y la evacuación del segundo conducto está situada a una distancia detrás de la salida del primer conducto, estando dicha distancia en un rango de aproximadamente (2 x Dc) a aproximadamente (20 x Dc). In another variation, the first conduit is adjacent to the second conduit. In another variation, at least a substantial portion of the second conduit is disposed in the first conduit. In another variation, the second conduit has an equivalent diameter (Dc) and the evacuation of the second conduit is located at a distance behind the exit of the first conduit, said distance being in a range of approximately (2 x Dc) to approximately (20 x Dc).

En otra variación de la primera realización, el dispositivo de dilución de combustible está en comunicación de fluido con un horno conteniendo una cantidad de un gas de horno, por lo que al menos una porción de la cantidad del gas de horno se mezcla con al menos una porción de la corriente de combustible diluido. In another variation of the first embodiment, the fuel dilution device is in fluid communication with an oven containing an amount of an oven gas, whereby at least a portion of the amount of the oven gas is mixed with at least a portion of the diluted fuel stream.

Una segunda realización del dispositivo de dilución de combustible es similar a la primera realización, pero incluye un turbulenciador dispuesto en el segundo conducto. Según la invención, el dispositivo de dilución de combustible incluye una boquilla de cremallera en comunicación de fluido con la salida del primer conducto. A second embodiment of the fuel dilution device is similar to the first embodiment, but includes a turbulence arranged in the second conduit. According to the invention, the fuel dilution device includes a zipper nozzle in fluid communication with the outlet of the first conduit.

Otra realización del dispositivo de dilución de combustible para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible incluye múltiples elementos. El primer elemento es un primer conducto que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto para transmitir una corriente de un combustible que entra en la entrada y que sale de la salida a una primera presión, una primera velocidad, y un primer índice de combustible. El segundo elemento es un segundo conducto que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y que sale de la evacuación a una segunda presión, una segunda velocidad, y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo al menos una de la segunda presión y la segunda velocidad diferente de al menos una de la primera presión y la primera velocidad, por lo que existe un potencial de mezcla entre la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto y la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto, por lo que al menos una porción de la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto se mezcla con al menos una porción de la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto en una posición próxima a la salida y la evacuación, generando por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible. El tercer elemento es una fuente de un oxidante. El cuarto elemento son unos medios para quemar una porción del oxidante con al menos una porción de al menos una de la corriente del combustible, o la corriente del fluido, o la corriente de combustible diluido, generando por ello un gas conteniendo una cantidad reducida de óxido de nitrógeno, siendo dicha cantidad reducida de óxido de nitrógeno menor que una cantidad más alta de óxido de nitrógeno que se generaría quemando el combustible usando unos medios distintos del dispositivo de dilución de combustible. Another embodiment of the fuel dilution device for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through staggered fuel delivery includes multiple elements. The first element is a first conduit that has a spaced inlet and outlet of the inlet, the first conduit being adapted to transmit a stream of a fuel entering the inlet and leaving the outlet at a first pressure, a first speed , and a first fuel index. The second element is a second conduit that has an intake and a spaced evacuation of the admission, the second conduit being adapted to transmit a current of a fluid entering the intake and leaving the evacuation at a second pressure, a second speed , and a second fuel index, the second fuel index being different from the first fuel index by at least about 0.1 and at least one of the second pressure and the second speed being different from at least one of the first pressure and the first velocity, so there is a potential for mixing between the fuel stream leaving the outlet of the first duct and the fluid stream exiting the evacuation of the second duct, whereby at least a portion of the stream of the fuel leaving the outlet of the first duct is mixed with at least a portion of the fluid stream that comes out of the evacuation of the second duct in a position close to the exit and the evacuation, thereby generating at least one stream of diluted fuel having an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index. The third element is a source of an oxidant. The fourth element is means for burning a portion of the oxidant with at least a portion of at least one of the fuel stream, or the fluid stream, or the diluted fuel stream, thereby generating a gas containing a reduced amount of nitrogen oxide, said reduced amount of nitrogen oxide being less than a higher amount of nitrogen oxide that would be generated by burning the fuel using means other than the fuel dilution device.

Otro aspecto de la invención es un sistema para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible. El sistema incluye múltiples elementos. El primer elemento es un dispositivo de dilución de combustible, que incluye: un primer conducto que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto para transmitir una corriente del combustible que entra en la entrada y que sale de la salida en un primer estado termodinámico y un primer índice de combustible; y un segundo conducto que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y que sale de la evacuación en un segundo estado termodinámico y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo el segundo estado termodinámico diferente del primer estado termodinámico, por lo que existe un potencial de mezcla entre la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto y la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto. El segundo elemento son unos medios para alimentar la corriente del combustible a la entrada del primer conducto, saliendo dicha corriente del combustible de la salida del primer conducto en el primer estado termodinámico y el primer índice de combustible. El tercer elemento son unos medios para alimentar la corriente del fluido a la admisión del segundo conducto, saliendo dicha corriente del fluido de la evacuación del segundo conducto en el segundo estado termodinámico y el segundo índice de combustible, por lo que al menos una porción de la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto se mezcla con al menos una porción de la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto en una posición próxima a la salida y la evacuación, generando por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible. El cuarto elemento es una fuente de un oxidante. El quinto elemento son unos medios para quemar una porción del oxidante con al menos una porción de al menos una de la corriente del combustible, o la corriente del fluido, o la corriente de combustible diluido, generando por ello un gas conteniendo una cantidad reducida de óxido de nitrógeno, siendo dicha cantidad reducida de óxido de nitrógeno menor que la alta cantidad de óxido de nitrógeno que se generaría quemando el combustible usando unos medios distintos del dispositivo de dilución de combustible. Another aspect of the invention is a system for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel delivery. The system includes multiple elements. The first element is a fuel dilution device, which includes: a first conduit having an inlet and an outlet spaced from the inlet, the first conduit being adapted to transmit a stream of fuel entering the inlet and exiting the output in a first thermodynamic state and a first fuel index; and a second conduit having an intake and a spaced outflow of the intake, the second conduit being adapted to transmit a current of a fluid entering the intake and exiting the evacuation in a second thermodynamic state and a second fuel index , the second fuel index being different from the first fuel index by at least about 0.1 and the second thermodynamic state being different from the first thermodynamic state, whereby there is a potential for mixing between the current of the fuel leaving the outlet of the first conduit and the flow of the fluid that comes out of the evacuation of the second conduit. The second element is means for feeding the fuel stream to the inlet of the first duct, said fuel stream leaving the outlet of the first duct in the first thermodynamic state and the first fuel index. The third element is a means for feeding the fluid stream to the admission of the second duct, said stream flowing out of the evacuation of the second duct in the second thermodynamic state and the second fuel index, whereby at least a portion of the fuel stream leaving the outlet of the first conduit is mixed with at least a portion of the fluid flow leaving the evacuation of the second conduit in a position close to the outlet and the evacuation, thereby generating at least one current of diluted fuel that has an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index. The fourth element is a source of an oxidant. The fifth element is means for burning a portion of the oxidant with at least a portion of at least one of the fuel stream, or the fluid stream, or the diluted fuel stream, thereby generating a gas containing a reduced amount of nitrogen oxide, said reduced amount of nitrogen oxide being less than the high amount of nitrogen oxide that would be generated by burning the fuel using means other than the fuel dilution device.

Otra realización del sistema para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible incluye múltiples elementos. El primer elemento es un dispositivo de dilución de combustible, que incluye: un primer conducto que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto para transmitir una corriente del combustible que entra en la entrada y que sale de la salida a una primera presión, una primera velocidad, y un primer índice de combustible; y un segundo conducto que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y que sale de la evacuación a una segunda presión, una segunda velocidad, y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo al menos una de la segunda presión y la segunda velocidad diferente de al menos una de la primera presión y la primera velocidad, por lo que existe un potencial de mezcla entre la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto y la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto. El segundo elemento son unos medios para alimentar la corriente del combustible a la entrada del primer conducto, saliendo dicha corriente del combustible de la salida del primer conducto a la primera presión, la primera velocidad, y el primer índice de combustible. El tercer elemento son unos medios para alimentar la corriente del fluido a la admisión del segundo conducto, saliendo dicha corriente del fluido la evacuación del segundo conducto a la segunda presión, la segunda velocidad, y el segundo índice de combustible, por lo que al menos una porción de la corriente del combustible que sale de la salida del primer conducto se mezcla con al menos una porción de la corriente del fluido que sale de la evacuación del segundo conducto en una posición próxima a la salida y la evacuación, generando por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible. El cuarto elemento es una fuente de un oxidante. El quinto elemento son unos medios para quemar una porción del oxidante con al menos una porción de al menos una de la corriente del combustible, o la corriente del fluido, o la corriente de combustible diluido, generando por ello un gas conteniendo una cantidad reducida de óxido de nitrógeno, siendo dicha cantidad reducida de óxido de nitrógeno menor que una cantidad más alta de óxido de nitrógeno que se generaría quemando el combustible usando unos medios distintos del dispositivo de dilución de combustible. Another embodiment of the system for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel input includes multiple elements. The first element is a fuel dilution device, which includes: a first conduit having an inlet and an outlet spaced from the inlet, the first conduit being adapted to transmit a stream of fuel entering the inlet and exiting the output at a first pressure, a first speed, and a first fuel index; and a second conduit having an intake and a spaced outflow of the intake, the second conduit being adapted to transmit a current of a fluid entering the intake and exiting the evacuation at a second pressure, a second speed, and a second fuel index, the second fuel index being different from the first fuel index by at least about 0.1 and at least one of the second pressure and the second speed being different from at least one of the first pressure and the first speed , so there is a potential for mixing between the fuel stream leaving the first duct outlet and the fluid stream exiting the second duct drain. The second element is means for feeding the fuel stream to the inlet of the first duct, said fuel stream leaving the outlet of the first duct at the first pressure, the first speed, and the first fuel index. The third element is a means for feeding the fluid stream to the admission of the second conduit, said fluid flow leaving the evacuation of the second conduit at the second pressure, the second velocity, and the second fuel index, so that at least a portion of the fuel stream leaving the outlet of the first conduit is mixed with at least a portion of the fluid stream exiting the evacuation of the second conduit in a position close to the outlet and the evacuation, thereby generating the minus a dilute fuel stream that has an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index. The fourth element is a source of an oxidant. The fifth element is means for burning a portion of the oxidant with at least a portion of at least one of the fuel stream, or the fluid stream, or the diluted fuel stream, thereby generating a gas containing a reduced amount of nitrogen oxide, said reduced amount of nitrogen oxide being less than a higher amount of nitrogen oxide that would be generated by burning the fuel using means other than the fuel dilution device.

Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings

La invención se describirá a modo de ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes, en los que: The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

La figura 1A es una vista en sección transversal en planta de una boquilla de aportación escalonada del combustible de la técnica anterior usada en un quemador de NOx ultra bajo. Figure 1A is a cross-sectional plan view of a stepped nozzle of prior art fuel used in an ultra-low NOx burner.

La figura 1B es una vista en sección transversal en alzado de la boquilla de aportación escalonada del combustible de la técnica anterior de la figura 1A. Figure 1B is a cross-sectional elevational view of the stepped fuel inlet nozzle of the prior art of Figure 1A.

La figura 1C es una vista lateral de la boquilla de aportación escalonada del combustible de la técnica anterior de la figura 1 B. Figure 1C is a side view of the prior art stepped fuel nozzle of Figure 1 B.

La figura 2 es una vista en sección transversal en alzado de una cámara de mezcla de la técnica anterior para mezclar gases de combustión de un horno y un gas de promoción de flujo con un gas combustible. Figure 2 is a cross-sectional elevational view of a mixing chamber of the prior art for mixing flue gases from an oven and a flow promotion gas with a combustible gas.

La figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra una vista en sección transversal de una realización según la técnica anterior. Figure 3 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of an embodiment according to the prior art.

La figura 4 es un diagrama esquemático que ilustra una vista en sección transversal de otra realización según la técnica anterior. Figure 4 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of another embodiment according to the prior art.

La figura 5A es un diagrama esquemático que ilustra otra realización según la técnica anterior que usa arrastre por chorro fuerte-chorro débil. Figure 5A is a schematic diagram illustrating another embodiment according to the prior art using strong jet-weak jet drag.

La figura 5B es un diagrama esquemático que ilustra una vista en sección transversal de otra realización según la técnica anterior, que usa un arrastre inducido por remolino. Figure 5B is a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of another embodiment according to the prior art, which uses a swirl-induced drag.

La figura 6 es un diagrama esquemático que ilustra una vista en sección transversal de otra realización según la técnica anterior. Figure 6 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of another embodiment according to the prior art.

La figura 7 es un diagrama esquemático que ilustra una vista en sección transversal de una realización de la invención que incluye una punta o boquilla de cremallera. Figure 7 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of an embodiment of the invention that includes a zipper tip or nozzle.

La figura 8A es un diagrama esquemático que ilustra una vista frontal de una punta o boquilla de cremallera. Figure 8A is a schematic diagram illustrating a front view of a tip or rack nozzle.

La figura 8B es un diagrama esquemático que ilustra una vista lateral de una punta o boquilla de cremallera unida a una lanza, tal como la representada en la figura 7. Figure 8B is a schematic diagram illustrating a side view of a tip or zipper nozzle attached to a lance, such as that shown in Figure 7.

5 5

10 10

15 fifteen

20 twenty

25 25

30 30

35 35

40 40

La figura 8C es un diagrama esquemático que ilustra una vista en planta de una punta o boquilla de cremallera. Figure 8C is a schematic diagram illustrating a plan view of a tip or rack nozzle.

La figura 8D es un diagrama esquemático que ilustra una porción de la vista frontal de la punta o boquilla de cremallera en la figura 8A en detalle para dimensionamiento. Figure 8D is a schematic diagram illustrating a portion of the front view of the tip or rack nozzle in Figure 8A in detail for sizing.

Y la figura 9 es un diagrama esquemático que ilustra una vista en sección transversal de otra realización de la invención que incluye una punta o boquilla de cremallera. And Figure 9 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional view of another embodiment of the invention that includes a zipper tip or nozzle.

Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention

La presente invención resuelve varios problemas encontrados en el diseño de equipo de combustión, tal como quemadores usados para calentar reformadores, calefactores de proceso, calderas, crackers de etileno, u otros hornos a temperatura alta. La invención se refiere a un proceso mejorado de aportación escalonada del combustible. En particular, los dos acercamientos que proporcionan una dilución y mezcla rápidas, dependiendo de los objetivos de proceso requeridos, son: The present invention solves several problems encountered in the design of combustion equipment, such as burners used to heat reformers, process heaters, boilers, ethylene crackers, or other ovens at high temperature. The invention relates to an improved process of phased fuel delivery. In particular, the two approaches that provide rapid dilution and mixing, depending on the required process objectives, are:

I. Aportación escalonada de combustible con otro combustible (F-F): se inyecta combustible residual de refinería a alta presión, combustible líquido atomizado, etc, cerca de un combustible gaseoso relativamente limpio y a baja presión para operación limpia, sin mantenimiento, de NOx bajo; y I. Step-by-step contribution of fuel with another fuel (F-F): high-pressure refinery residual fuel, atomized liquid fuel, etc., is injected near a relatively clean and low-pressure gaseous fuel for clean, maintenance-free operation of low NOx; Y

II. Aportación escalonada de combustible con gas inerte (F-I): se inyectan fluidos inertes a alta presión tales como vapor, nitrógeno, CO2, cerca de un combustible gaseoso a baja presión para reducción de NOx. II. Staggered supply of fuel with inert gas (F-I): high pressure inert fluids such as steam, nitrogen, CO2 are injected near a low pressure gaseous fuel for NOx reduction.

En el sentido en que se usa aquí, el término “índice de combustible” (FI) se define como la suma ponderada del número atómico del carbono combustible donde a H2 molecular se le asigna un número de carbono 1,3, siendo los pesos las fracciones molares de componente: Fl= ΣCi/Σxi, donde Ci y xi son el número de átomos de carbono y la fracción molar del componente i, respectivamente. Los índices de combustible de un número de combustibles e inertes se enumeran en la tabla I. Generalmente, un combustible con un índice de combustible más alto se craquea más fácilmente y produce más NOx a través del mecanismo de NOx indicado. H2 es un caso especial en esta definición. Aunque H2 no tiene átomos de carbono, es bien conocido que la adición de H2 en gas natural incrementa las emisiones de NOx. La literatura sugiere que tiene lugar aproximadamente un 30% más de emisiones de NOx con llamas de H2 puro en comparación con llamas de metano. La mayor emisión de NOx de las llamas de H2 es atribuible a temperaturas más altas de la llama mediante el mecanismo de NOx térmico. Dado que el índice de combustible se usa aquí como un indicador para emisiones de NOx, se asigna un valor de 1,3 a H2 para que sea coherente con su potencial de emisiones de NOx. In the sense that it is used here, the term "fuel index" (FI) is defined as the weighted sum of the atomic number of the combustible carbon where molecular H2 is assigned a carbon number 1.3, the weights being the molar fractions of component: Fl = ΣCi / Σxi, where Ci and xi are the number of carbon atoms and the molar fraction of component i, respectively. The fuel indices of a number of fuels and inerts are listed in Table I. Generally, a fuel with a higher fuel index cracks more easily and produces more NOx through the indicated NOx mechanism. H2 is a special case in this definition. Although H2 does not have carbon atoms, it is well known that the addition of H2 in natural gas increases NOx emissions. The literature suggests that approximately 30% more NOx emissions occur with pure H2 flames compared to methane flames. The higher NOx emission of H2 flames is attributable to higher flame temperatures through the thermal NOx mechanism. Since the fuel index is used here as an indicator for NOx emissions, a value of 1.3 is assigned to H2 to be consistent with its potential for NOx emissions.


Tabla I: Índices de combustible para combustibles e inertes seleccionados

Table I: Fuel indices for selected fuels and inerts

Combustibles o inertes Fuels or inert
Índice de combustible Fuel index

H2H2
1,3  1.3

H2O H2O
0 0

CO2 CO2
0 0

CO CO
1 one

N2N2
0  0

CH4CH4
1  one

C3H8C3H8
3  3

ROG (1) ROG (1)
1,434 1,434

Gas de descarga PSA (2) PSA discharge gas (2)
0,57 0.57

Gas natural (3) Natural gas (3)
1,08 1.08

Gas natural (4) Natural gas (4)
1,14 1.14

(1) ROG: H2 18%, CH4 44%, C2H2 38%. (2) Gas de descarga PSA: H2 30%. CH4 18%, CO2 52%. (3) Gas natural: CH4 91 %, C2H6 4%, C3H8 3%, N2 1%, CO2 % (4) Gas natural: CH4 84%, C2H6 12%, C3H8 2%, N2 2%. (1) ROG: H2 18%, CH4 44%, C2H2 38%. (2) PSA discharge gas: H2 30%. CH4 18%, CO2 52%. (3) Natural gas: CH4 91%, C2H6 4%, C3H8 3%, N2 1%, CO2% (4) Natural gas: CH4 84%, C2H6 12%, C3H8 2%, N2 2%.

Como se explica aquí, el término “estado termodinámico” se define como un estado de existencia de una materia. Esta definición se basa en el concepto de termodinámica generalmente conocido, pero con una extensión incluyendo no solamente la temperatura y presión usuales, sino también la velocidad, concentración, composición, fracción de volumen, tasa de flujo, potencial eléctrico, etc, para caracterizar completamente una corriente. Esta definición se usa para definir exactamente la mezcla como el resultado de una diferencia en el estado termodinámico entre dos corrientes. As explained here, the term "thermodynamic state" is defined as a state of existence of a matter. This definition is based on the concept of generally known thermodynamics, but with an extension including not only the usual temperature and pressure, but also the speed, concentration, composition, volume fraction, flow rate, electrical potential, etc., to fully characterize a current. This definition is used to define exactly the mixture as the result of a difference in the thermodynamic state between two currents.

Los dos acercamientos se explican con detalle más adelante. The two approaches are explained in detail later.

I. Aportación escalonada de combustible con otro combustible (F-F): I. Staggered contribution of fuel with another fuel (F-F):

Este acercamiento puede ser usado para quemar combustibles residuales de refinería a una presión de suministro alta que contienen una mezcla de hidrógeno y más combustibles de C/H alto (etano, propano, butano, olefinas, etc) con un segundo gas combustible a baja presión, relativamente más limpio. Surgen problemas de mantenimiento con dicho combustible residual de refinería debido a craqueo término de los combustibles de C/H alto y posterior acumulación de hollín en las puntas de combustible del quemador. Además, la combustión de tales combustibles da lugar a emisiones de NOx superiores a las normales. This approach can be used to burn waste refinery fuels at a high supply pressure that contain a mixture of hydrogen and more high C / H fuels (ethane, propane, butane, olefins, etc.) with a second low pressure fuel gas , relatively cleaner. Maintenance problems arise with said refinery residual fuel due to high cracking of high C / H fuels and subsequent accumulation of soot at the burner fuel tips. In addition, the combustion of such fuels results in higher than normal NOx emissions.

Para mejorar la combustión de combustibles residuales de refinería de C/H alto, el combustible sucio es diluido con una corriente de combustible relativamente más limpio secundario) (por ejemplo, hidrógeno, gas de síntesis, gas natural, o una mezcla de combustible de kg bajo (BTU)). En una realización representada en la figura 3, un gas combustible de refinería a alta presión (conteniendo gases combustibles de relación C/H alta) es inyectado a través de una lanza central 32 y un gas combustible a baja presión relativamente limpio, tal como gas natural, gas de síntesis, gas de proceso, gas de descarga PSA (gas combustible reciclado después de sacar el hidrógeno producido de lechos adsorbentes de PSA), etc, es inyectado a través de una región anular 33 entre la lanza central 32 y una lanza exterior 34. Como se representa en la figura 3, la salida 36 de la lanza central está rebajada una distancia preferida de la salida 38 de la lanza exterior. Esta distancia es preferiblemente de 2 a 20 veces el diámetro equivalente (Dc) de la lanza central. Dependiendo del combustible dividido entre el gas combustible de refinería a alta presión y el gas combustible más limpio a baja presión, la distancia es preferiblemente de 1,59 a 25,4 mm (aproximadamente de 1/16 a 1 pulgada). To improve combustion of high C / H refinery residual fuels, the dirty fuel is diluted with a relatively cleaner secondary fuel stream) (e.g. hydrogen, synthesis gas, natural gas, or a kg fuel mixture low (BTU)). In an embodiment depicted in Figure 3, a high pressure refinery fuel gas (containing combustible gases of high C / H ratio) is injected through a central lance 32 and a relatively clean low pressure combustible gas, such as gas natural, synthesis gas, process gas, PSA discharge gas (recycled fuel gas after removing the hydrogen produced from PSA adsorbent beds), etc., is injected through an annular region 33 between the central lance 32 and a lance exterior 34. As shown in Figure 3, the outlet 36 of the central lance is reduced a preferred distance from the outlet 38 of the outer lance. This distance is preferably 2 to 20 times the equivalent diameter (Dc) of the central lance. Depending on the fuel divided between the high pressure refinery fuel gas and the cleanest fuel gas at low pressure, the distance is preferably from 1.59 to 25.4 mm (approximately 1/16 to 1 inch).

Los expertos en la técnica reconocerán que la referencia a “alta presión” en las figuras 3-7 y 9 también podría decir “alta velocidad” o “alta presión o alta velocidad”. Igualmente, la referencia a “baja presión” en dichas figuras podría decir “baja velocidad” o “baja presión o baja velocidad”. Those skilled in the art will recognize that the reference to "high pressure" in Figures 3-7 and 9 could also say "high speed" or "high pressure or high speed". Similarly, the reference to "low pressure" in said figures could say "low speed" or "low pressure or low speed".

La disposición representada en la figura 3 permite que el gas combustible de refinería sucio a alta presión se mezcle con el gas combustible más limpio a baja presión debido a interacción de chorros turbulentos. La velocidad del gas combustible de refinería a alta presión a través de la lanza central 32 es preferiblemente de 274 a 427 m/s (de aproximadamente 900 a 1400 pies/segundo) (preferiblemente velocidad sónica o estrangulada). La velocidad del gas combustible a baja presión a través de la región anular 33 entre la lanza central 32 y la lanza exterior 34 es preferiblemente de 30,5 a 274 m/s (aproximadamente 100 a 900 pies/segundo), dependiendo de la presión de suministro disponible del gas a baja presión. La corriente de gas a velocidad más alta que sale de la salida 36 de la lanza central arrastra la corriente de gas a velocidad más baja que se aproxima a la salida 38 de la lanza exterior y realiza mezcla de “primera etapa” antes de que las corrientes salgan a través de un orificio u orificios 40. La geometría de orificio, ángulos, etc, de la lanza exterior están diseñados para mezcla óptima de “segunda etapa” en la atmósfera de horno. Una cantidad muy grande de gas de horno 42 es arrastrada para dilución de segunda etapa, disminuyendo por ello las temperaturas máximas de la llama y la posterior reducción de emisiones de NOx. The arrangement shown in Figure 3 allows the dirty refinery fuel gas at high pressure to be mixed with the cleanest fuel gas at low pressure due to turbulent jet interaction. The velocity of the high pressure refinery fuel gas through the central lance 32 is preferably 274 to 427 m / s (approximately 900 to 1400 feet / second) (preferably sonic or strangulated speed). The velocity of the low pressure fuel gas through the annular region 33 between the central lance 32 and the outer lance 34 is preferably 30.5 to 274 m / s (approximately 100 to 900 feet / second), depending on the pressure of available gas supply at low pressure. The higher velocity gas stream leaving exit 36 of the central lance drags the lower velocity gas stream approaching exit 38 of the outer lance and performs "first stage" mixing before the currents leave through a hole or holes 40. The hole geometry, angles, etc., of the outer lance are designed for optimum "second stage" mixing in the oven atmosphere. A very large amount of furnace gas 42 is entrained for second stage dilution, thereby decreasing maximum flame temperatures and the subsequent reduction of NOx emissions.

La figura 4 ilustra una disposición para aportación escalonada de combustible líquido (F-F). En esta realización, un combustible líquido a alta presión (y relación C/H alta) (por ejemplo, fuel-oil, diesel, C bunker, combustible líquido residual, etc) se diluye usando un gas combustible a baja presión antes de ser inyectado a una atmósfera de horno para mayor dilución. Por ejemplo, el fuel oil pesado puede ser atomizado con un fluido atomizador, tal como vapor, y después diluido con un gas combustible a baja presión para combustión sin hollín (limpia) dentro del horno. Esta realización también disminuye las emisiones de NOx debidas a temperaturas máximas más bajas de la llama. Figure 4 illustrates an arrangement for phased supply of liquid fuel (F-F). In this embodiment, a high pressure liquid fuel (and high C / H ratio) (for example, fuel oil, diesel, C bunker, residual liquid fuel, etc.) is diluted using a low pressure fuel gas before being injected to an oven atmosphere for further dilution. For example, heavy fuel oil can be atomized with an atomizing fluid, such as steam, and then diluted with a low pressure fuel gas for combustion without soot (clean) inside the oven. This embodiment also decreases NOx emissions due to lower maximum flame temperatures.

En la figura 4, X es la distancia desde la salida de la lanza central 32 a la cara trasera de la salida para la lanza exterior 34. Dc es el diámetro de área de flujo equivalente de la salida de la lanza central, es decir, el áreas de flujo total de la salida de la lanza central es la misma que un círculo de diámetro Dc. De es el diámetro equivalente de área de flujo de la lanza exterior, es decir, la área de flujo total de la salida de la lanza es la misma que un círculo de diámetro De. In Fig. 4, X is the distance from the outlet of the central lance 32 to the rear face of the outlet for the outer lance 34. Dc is the equivalent flow area diameter of the central lance outlet, that is, The total flow areas of the central lance outlet is the same as a circle of diameter Dc. Of is the equivalent flow area diameter of the outer lance, that is, the total flow area of the lance outlet is the same as a circle of diameter De.

Dos otras realizaciones de aportación escalonada (F-F) se representan en las figuras 5A y 5B. En la figura 5A tiene lugar una interacción de chorro fuerte-chorro débil entre el gas combustible de refinería a alta presión y el gas combustible a baja presión. El gas combustible de refinería a alta presión es inyectado en una lanza de alta presión 52 a una velocidad alta de 274 a 427 m/s (de aproximadamente 900 a 1400 pies/segundo) en una dirección preferida, y un gas combustible a baja presión, que es inyectado en una lanza de baja presión 54, es arrastrado por el gas combustible de refinería a alta presión. Two other embodiments of step contribution (F-F) are shown in Figures 5A and 5B. In Figure 5A a strong jet-weak jet interaction takes place between the high pressure refinery fuel gas and the low pressure fuel gas. The high pressure refinery fuel gas is injected into a high pressure lance 52 at a high speed of 274 to 427 m / s (approximately 900 to 1400 feet / second) in a preferred direction, and a low pressure fuel gas , which is injected into a low pressure lance 54, is carried by the high pressure refinery fuel gas.

En la figura 5B, el gas combustible de refinería a alta presión es arremolinado en una lanza central 32 usando un turbulenciador de combustible 56, y el gas combustible a baja presión es arrastrado en la región aplastada (región central) del remolino de alta velocidad. Esto permite una buena mezcla del gas combustible de refinería a alta presión y el gas combustible a baja presión antes de que salgan de la lanza exterior 34 y entren en el horno (no representado), donde tiene lugar dilución adicional con los gases de horno 42. Este acercamiento es beneficioso para aplicaciones que requieren un perfil de llama corta o un espacio de combustión más pequeño. In Fig. 5B, the high pressure refinery fuel gas is swirled in a central lance 32 using a fuel turbulence 56, and the low pressure fuel gas is drawn into the crushed region (central region) of the high speed whirlpool. This allows a good mixture of the high pressure refinery fuel gas and the low pressure fuel gas before they leave the outer lance 34 and enter the furnace (not shown), where further dilution takes place with the furnace gases 42 This approach is beneficial for applications that require a short flame profile or a smaller combustion space.

Una aplicación para aportación escalonada (F-F) se encuentra en reformadores de vapor de metano (SMR) donde el gas combustible a alta presión es generalmente un suministro de gas natural o un gas de descarga de refinería que se clasifica generalmente como un combustible ajustado. Con referencia a la figura 6, el gas combustible a alta presión es inyectado en la lanza central 32. El gas combustible a baja presión inyectado en la región anular 33 entre la lanza central 32 y la lanza exterior 34 es generalmente gas de descarga PSA (adsorción de oscilación de presión) An application for step contribution (F-F) is found in methane vapor reformers (SMR) where high-pressure fuel gas is generally a natural gas supply or a refinery discharge gas that is generally classified as an adjusted fuel. With reference to Figure 6, the high pressure combustible gas is injected into the central lance 32. The low pressure combustible gas injected into the annular region 33 between the central lance 32 and the outer lance 34 is generally PSA discharge gas ( pressure swing adsorption)

o corriente ventilada limpia de PSA que contiene CO2 (~45%), hidrógeno (~30%), metano (~15%), y CO (~10°/0) con un índice de combustible de aproximadamente 0,64. El gas de descarga PSA sale del lecho de adsorción después de separar el producto de hidrógeno. El combustible ajustado a alta presión supone entre 10% y 30% de una energía total para reformadores típicos que tienen PSA para separación de hidrógeno. or PSA clean ventilated stream containing CO2 (~ 45%), hydrogen (~ 30%), methane (~ 15%), and CO (~ 10 ° / 0) with a fuel index of approximately 0.64. The PSA discharge gas leaves the adsorption bed after separating the hydrogen product. Fuel set at high pressure means between 10% and 30% of total energy for typical reformers that have PSA for hydrogen separation.

Una ventaja secundaria de esta aplicación de aportación escalonada es mejorar la recuperación de PSA incrementando el rango del ciclo de presión de PSA, en particular en el extremo bajo. Con referencia a la figura 7, esto se logra creando una región de presión baja dentro de la lanza exterior 34. El chorro central a alta velocidad 72 representado en la figura 7 crea una región de presión baja alrededor del cuerpo del chorro donde el gas combustible a baja presión que se mueve más lento es arrastrado por el chorro central de movimiento más rápido. Debido a un proceso de arrastre activo, la presión de suministro para el gas combustible a baja presión se reduce para la misma tasa de flujo de combustible. A secondary advantage of this staggered contribution application is to improve PSA recovery by increasing the range of the PSA pressure cycle, particularly at the low end. With reference to Figure 7, this is achieved by creating a low pressure region within the outer lance 34. The high speed central jet 72 shown in Figure 7 creates a low pressure region around the jet body where the fuel gas at low pressure that moves slower it is dragged by the central jet of faster movement. Due to an active entrainment process, the supply pressure for the low pressure fuel gas is reduced for the same fuel flow rate.

En un experimento de combustión en laboratorio, la presión de suministro de gas de descarga PSA a baja presión se redujo de 13800 a 11000 N/m2 (de 2 psig a 1,6 psig) (reducción del 20%). Esto se logró inyectando el gas combustible a alta presión a 172000 N/m2/396 m/s (25 psig) (una velocidad de 1300 pies/segundo). La energía de combustión dividida entre el gas combustible a alta presión y el gas combustible a baja presión era 30:70 respectivamente. In a laboratory combustion experiment, the PSA discharge gas supply pressure at low pressure was reduced from 13800 to 11000 N / m2 (from 2 psig to 1.6 psig) (20% reduction). This was achieved by injecting the high pressure fuel gas at 172000 N / m2 / 396 m / s (25 psig) (a speed of 1300 feet / second). The combustion energy divided between the high pressure fuel gas and the low pressure fuel gas was 30:70 respectively.

Para cuantificar mejor los detalles del proceso de aportación escalonada (F-F), se consideraron resultados de prueba de laboratorio usando un quemador de NOx bajo. El quemador tenía 10 lanzas de combustible distribuidas alrededor de un círculo de 457 mm (18 pulgada) de diámetro. De las 10 lanzas de combustible se reservaron dos lanzas para la configuración de aportación escalonada tipo (F-F). Las lanzas tenían puntas de combustible especiales y múltiples ranuras divergentes (puntas de cremallera 74) para mejorar la mezcla pasiva. En la figura 7 se representa un diagrama esquemático de la configuración de aportación escalonada del combustible (F-F) usando puntas de cremallera 74. El quemador se clasificó a una tasa de combustión de 8.44,106 kg/h (8 MM Btu/h) utilizando precalentamiento con aire a 340°C (644°F) y estaba diseñado para utilizar dos tipos de combustibles. Los detalles de los dos combustibles se exponen a continuación: To better quantify the details of the phased contribution process (F-F), laboratory test results using a low NOx burner were considered. The burner had 10 fuel lances distributed around a circle of 457 mm (18 inch) in diameter. Of the 10 fuel lances, two lances were reserved for the staggered type (F-F) configuration. The lances had special fuel tips and multiple divergent grooves (74 rack tips) to improve passive mixing. A schematic diagram of the staggered fuel input (FF) configuration using rack tips 74 is shown in Figure 7. The burner was rated at a combustion rate of 8.44,106 kg / h (8 MM Btu / h) using preheating with air at 340 ° C (644 ° F) and was designed to use two types of fuels. The details of the two fuels are set out below:

**
Gas combustible de refinería a alta presión: H2 (18%), gas natural (44%) y etileno (38%). Este combustible tiene un índice de combustible de 1,43 y supone el 30% de la entrada total de energía.  High pressure refinery fuel gas: H2 (18%), natural gas (44%) and ethylene (38%). This fuel has a fuel index of 1.43 and accounts for 30% of the total energy input.

**
Gas combustible a baja presión: CO2 (52%), gas natural (18%) y H2 (30). Tiene un índice de combustible de 0,57, y supone aproximadamente 70% de la entrada total de energía.  Low pressure fuel gas: CO2 (52%), natural gas (18%) and H2 (30). It has a fuel index of 0.57, and accounts for approximately 70% of the total energy input.

Con referencia a la disposición ilustrada en la figura 7, el gas combustible a alta presión se inyectó en una lanza central 32 hecha de tubos estándar de un diámetro de 9.53 mm (3/8 pulgada) x 0,88 mm (0,035 pulgada) de grosor de pared, que se colocaron concéntricamente en una lanza exterior 34 hecha de tubo de 19,1 mm (3/4 pulgada) 40. Se montó una punta de cremallera 74 en el extremo del tubo. La punta de cremallera estaba dimensionada para 13 mm (0,51 pulgada) de diámetro equivalente y, como se representa en las figuras 8A-8D, tenía cuatro ranuras verticales y una ranura horizontal. Los ángulos de divergencia (α1 y α2) para las ranuras verticales eran 18° y 6° respectivamente para la geometría de punta axial de boquilla de cremallera como sigue: 1) una serie de estructuras verticales en planos intersecantes entre formas primarias adyacentes; 2) inestabilidades de flujo inducido hacia abajo; y 3) un nivel alto de mezcla molecular (pequeña escala) entre el primer fluido (combustibles) y el segundo fluido (gases de horno). La mezcla anterior también se logró a la distancia axial más corta. Los experimentos de laboratorio con quemador de NOx bajo realizados con la configuración de lanza en lanza de la figura 7 (incluyendo puntas de cremallera) indican una mezcla axial rápida, mayor arrastre de gas de horno con el ángulo de divergencia β a 7°. With reference to the arrangement illustrated in Figure 7, the high pressure fuel gas was injected into a central lance 32 made of standard tubes with a diameter of 9.53 mm (3/8 inch) x 0.88 mm (0.035 inch) of wall thickness, which were concentrically placed in an outer lance 34 made of 3/4 inch (19.1 mm) tube 40. A zipper tip 74 was mounted at the end of the tube. The zipper tip was sized for 13 mm (0.51 inch) of equivalent diameter and, as shown in Figures 8A-8D, had four vertical grooves and a horizontal groove. The divergence angles (α1 and α2) for the vertical grooves were 18 ° and 6 ° respectively for the axial tip geometry of the zip nozzle as follows: 1) a series of vertical structures in intersecting planes between adjacent primary shapes; 2) instabilities of induced downward flow; and 3) a high level of molecular mixture (small scale) between the first fluid (fuels) and the second fluid (furnace gases). The previous mixture was also achieved at the shortest axial distance. The low NOx burner laboratory experiments performed with the lance lance configuration of Figure 7 (including rack tips) indicate rapid axial mixing, greater dragging of oven gas with the divergence angle β at 7 °.

Los procesos de fluido generales según la disposición de la figura 7 dieron lugar a transferencia de calor más uniforme a la carga y emisiones de NOx y CO ultra bajas (< 15 ppmv) a una presión de combustible inferior a 13800 N/m2 (2 psig). También se observó que, sin el proceso de lanza en lanza, la combustión de combustible a presión alta y una relación C/H alta produce una llama rica en hollín visible. Además, las emisiones de NOx eran de hasta 25 a 30 ppm. Este experimento demostró que el proceso de aportación escalonada F-F podría disminuir drásticamente las emisiones de NOx. El proceso de aportación escalonada F-I podría reducir las emisiones aún más con inertes. The general fluid processes according to the arrangement of Figure 7 resulted in more uniform heat transfer to the load and ultra-low NOx and CO emissions (<15 ppmv) at a fuel pressure below 13800 N / m2 (2 psig ). It was also observed that, without the spear lance process, the combustion of high pressure fuel and a high C / H ratio produces a flame rich in visible soot. In addition, NOx emissions were up to 25 to 30 ppm. This experiment showed that the F-F phased contribution process could drastically reduce NOx emissions. The F-I phased contribution process could reduce emissions even more with inert.

5 5

10 10

15 fifteen

20 twenty

25 25

30 30

35 35

40 40

La prueba visual de la mezcla mejorada se observó en un horno en un laboratorio siempre que la configuración de aportación escalonada del combustible (F-F) de lanza en lanza se usó para combustibles de refinería que constaban de butano (C4H10) de hasta 50%. Se halló que las llamas individuales se mezclan mucho más rápidamente con gases de horno y creaban una combustión espaciosa o sin llama. Por otra parte, las lanzas simples con lanzas de boquilla cilíndrica creaban una llama más bien visible (azulada) y relativamente más larga, indicando menos dilución de gas de horno y mezcla, y al mismo tiempo producían niveles de emisiones de NOx y CO relativamente más altos a una presión de suministro de combustible dada. The visual test of the improved mixture was observed in a furnace in a laboratory provided that the lagged fuel lance (F-F) lance configuration was used for refinery fuels consisting of butane (C4H10) of up to 50%. Individual flames were found to mix much more rapidly with furnace gases and create a spacious or flameless combustion. On the other hand, single lances with cylindrical nozzle lances created a rather visible (bluish) and relatively longer flame, indicating less dilution of furnace gas and mixing, and at the same time produced relatively more NOx and CO emission levels. high at a given fuel supply pressure.

La tabla II proporciona un rango de combustión preferido, dimensiones, relaciones sin dimensión y ángulos de inyección para una configuración de lanza en lanza propuesta. Se usaron tubos circulares simples para combustible de refinería a alta presión mientras que se usó una punta de cremallera para el combustible de gas de descarga PSA a baja presión. Estas lanzas son componentes críticos de un quemador de NOx bajo porque la fiabilidad de las prestaciones del quemador afecta directamente al reformador de vapor metano en el rendimiento de la corriente. Table II provides a preferred combustion range, dimensions, dimensionless ratios and injection angles for a proposed lance configuration. Simple circular tubes were used for high pressure refinery fuel while a zipper tip was used for low pressure PSA discharge gas fuel. These lances are critical components of a low NOx burner because the reliability of the burner's performance directly affects the methane steam reformer in the current performance.

Tabla II: Parámetros dimensionales para puntas de aportación escalonada de combustible de lanza en lanza Table II: Dimensional parameters for staggered lance fuel lance tips

Punta de cremallera a baja presión Low pressure zipper tip
Punta cilíndrica a presión alta High pressure cylindrical tip

(H) (H)
(W) (R0/ R1) (H/R0) (α1, α2) (β) L/De Dc X/Dc (W) (R0 / R1) (H / R0) (α1, α2) (β) L / Of  Dc  X / Dc

Capacidad de combustión del quemador (MM Btu/h) Burner combustion capacity (MM Btu / h)
Altura de ranura (pulg) mm Anchura de ranura (pulg) mm Relación de radio de extremo a radio de centro de ranura Relación de altura de ranura a radio de esquina Ángulo de división axial (°) Ángulo de división radial (°) Relación de grosor de punta de cremallera a diámetro equivalente Diámetro del tubo (pulgada) mm Distancia a entrada de punta de cremallera Groove Height (in) mm Groove Width (in) mm End-to-center slot radius ratio Slot height ratio to corner radius Axial Division Angle (°) Radial division angle (°) Ratio of zipper tip thickness to equivalent diameter Tube diameter (inch) mm Distance to zipper tip input

8 8
(1/32-1) 0,79-25,4 (1/4 -2) 0,25-50,8 1,6 (1-3) 3,7 (2-6) 15 (0 30) 7 (0- 30) 0,625 (0,05-3) (0,305) (1/16-2) 7,75 1,59-50,8 4 (2-20) (1 / 32-1) 0.79-25.4 (1/4 -2) 0.25-50.8 1.6 (1-3) 3.7 (2-6) 15 (0 30) 7 (0-30) 0.625 (0.05-3) (0.305) (1 / 16-2) 7.75 1.59-50.8 4 (2-20)

5,25.2
(1/32-1) 0,79-25,4 (1/4-2) 0,25-50,8 1,6 (1-3) 3,7 (2-6) 15 (0 30) 7 (0 -30) 0,625 (0,05-3) (0,277) (1/16-2) 7,04 1,59-50,8 4 (2-10)  (1 / 32-1) 0.79-25.4 (1 / 4-2) 0.25-50.8 1.6 (1-3) 3.7 (2-6) 15 (0 30) 7 (0 -30) 0.625 (0.05-3) (0.277) (1 / 16-2) 7.04 1.59-50.8 4 (2-10)

Los rangos dimensionales anteriores son válidos para varios combustibles, tales como gas natural, propano, gases de descarga de refinería, combustibles de kg (BTU) bajo, etc. Las boquillas están dimensionadas de forma óptima dependiendo de la composición del combustible, tasa de flujo (o tasa de combustión) y la presión de suministro disponible en la entrada del quemador en la tabla II, las dimensiones, relaciones y rangos se han estimado para una tasa de combustión del quemador de 2,11·106 a 10,6·106 kg/h (2 a 10 MM Btu/h). Sin embargo, estas dimensiones y rangos pueden ser escalados para quemadores de tasa de combustión más alta >10,6·106 kg/h (> 10 MM Btu/h) usando práctica de ingeniería estándar de mantener rangos de velocidad de flujo similares. II. Aportación escalonada de combustible con gas inerte (F-I): The above dimensional ranges are valid for various fuels, such as natural gas, propane, refinery discharge gases, low kg (BTU) fuels, etc. The nozzles are optimally sized depending on the composition of the fuel, flow rate (or combustion rate) and the supply pressure available at the burner inlet in Table II, the dimensions, ratios and ranges have been estimated for a Burner combustion rate of 2.11 · 106 to 10.6 · 106 kg / h (2 to 10 MM Btu / h). However, these dimensions and ranges can be scaled for burners with a higher combustion rate> 10.6 · 106 kg / h (> 10 MM Btu / h) using standard engineering practice to maintain similar flow rate ranges. II. Stepped fuel supply with inert gas (F-I):

La mejor aportación escalonada del combustible con gases inertes a alta presión, tal como vapor (seco o saturado, CO2, gases de combustión, nitrógeno u otros gases inertes, se realiza con gases combustibles a baja presión para reducir las emisiones de NOx. Los combustibles de aportación escalonada que pueden ser usados incluyen, aunque sin limitación, gas natural; gas de proceso de kg (BTU) bajo (que consta de hidrógeno y otros combustibles de refinería); y gas de descarga PSA. Las configuraciones de punta de inyección son similares a las representadas en las figuras 3-7. El principal objetivo es reducir más las emisiones de NOx. Una realización preferida se ilustra en la figura 9. The best staggered contribution of the fuel with high pressure inert gases, such as steam (dry or saturated, CO2, combustion gases, nitrogen or other inert gases) is carried out with low pressure combustible gases to reduce NOx emissions. Step-by-step inputs that may be used include, but are not limited to, natural gas; low kg (BTU) process gas (consisting of hydrogen and other refinery fuels); and PSA discharge gas. Injection tip configurations are similar to those depicted in Figures 3-7 The main objective is to further reduce NOx emissions A preferred embodiment is illustrated in Figure 9.

Con referencia a la figura 9, se envía un vapor saturado o seco a presión alta de 207000 a 689000 N/m2 (30 a 100 psig) a través de la lanza central 32 a aproximadamente 274 a 427 m/s (900 a 1400 pies/segundo) y se envía gas combustible a baja presión a través de la región anular 33 entre la lanza central 32 y la lanza exterior 34. Un chorro de vapor a alta velocidad 92 arrastra el gas combustible para dilución de primera etapa (y mezcla) dentro de la región anular. La mezcla resultante sale posteriormente a través de una punta de cremallera 74 a una velocidad alta de aproximadamente 183 a 427 m/s (aproximadamente 600 a 1400 pies/segundo) para dilución de segunda etapa en el horno (no representado) usando gases de horno (no representados). La dilución de segunda etapa es muy efectiva debido a las altas velocidades del vapor y los bucles de arrastre establecidos por llamas individuales formadas por la punta de cremallera. Debido a la geometría de la punta de cremallera y la asistencia de vapor se obtiene mejor dilución de combustible. Las temperaturas máximas de la llama se reducen más y se obtienen ultra Referring to Figure 9, a saturated or dry high pressure steam of 207,000 to 689,000 N / m2 (30 to 100 psig) is sent through the central lance 32 at approximately 274 to 427 m / s (900 to 1400 feet / second) and low pressure fuel gas is sent through the annular region 33 between the central lance 32 and the outer lance 34. A high speed steam jet 92 drags the combustible gas for first stage dilution (and mixing) within the annular region. The resulting mixture subsequently exits through a zipper tip 74 at a high speed of about 183 to 427 m / s (about 600 to 1400 ft / second) for second stage dilution in the oven (not shown) using oven gases (not represented). The second stage dilution is very effective due to the high steam velocities and the drag loops established by individual flames formed by the zipper tip. Due to the geometry of the zipper tip and the steam assistance, better fuel dilution is obtained. Maximum flame temperatures are further reduced and ultra obtained

5 5

10 10

15 fifteen

20 twenty

25 25

30 30

35 35

40 40

45 Four. Five

50 fifty

bajo NOx emisiones de NOx ultra bajas. La tabla III ofrece cifras de consumo de vapor estimadas para un horno reformador de vapor de metano grande. low NOx ultra low NOx emissions. Table III offers estimated steam consumption figures for a large methane steam reformer oven.

Tabla III: Economía del consumo de vapor con el proceso de aportación escalonada (F-I) propuesto Table III: Economy of steam consumption with the proposed phased contribution process (F-I)

Tasa de inyección de vapor kg vapor/kg combustible Steam injection rate kg steam / kg fuel
(lb_stm/lb_fuel) 0,02 0,05 (lb_stm / lb_fuel) 0.02 0.05

Tasa de combustión kg/h Combustion Rate kg / h
(mmbtu/h LHV) 89,108, (850) 89,108, (850) (mmbtu / h LHV) 89,108, (850) 89,108, (850)

Valor de calentamiento del horno mg/Nm3 Oven heating value mg / Nm3
(btu/scf, LHV) 37,2 (1000) 37,2 (1000) (btu / scf, LHV) 37.2 (1000) 37.2 (1000)

Costo de combustible $/1,06·106 kg Fuel cost $ / 1.06106 kg
($/mmbtu, LHV) 6 6 ($ / mmbtu, LHV) 6 6

Peso molecular de combustible Molecular weight of fuel
18 18 18 18

Vapor necesario kg/h m3Required steam kg / h m3
(lb/h) (mmscfd) 366 (806) (0,408) 0,9 (2,016) (1,02)  (lb / h) (mmscfd) 366 (806) (0.408) 0.9 (2,016) (1,02)

11600 11600
28900 28900

Energía requerida para generar vapor a 689000 N/m2 (100 psia) y 204.4°C (400°F) de agua a 15.5°C (60°F) Energy required to generate steam at 689000 N / m2 (100 psia) and 204.4 ° C (400 ° F) of water at 15.5 ° C (60 ° F)
(btu/scf) mg/Nm3 (btu/lb) kg/kg 2,12(57,1) 2798,6 (1203,2) 2,12 (57,1) 2798,6 (1203,2) (btu / scf) mg / Nm3 (btu / lb) kg / kg 2.12 (57.1) 2798.6 (1203.2) 2.12 (57.1) 2798.6 (1203.2)

Costo de vapor Steam cost
$/día $/año 140 50.992 349 127.480 $ / day $ / year 140 50,992 349 127,480

Como se expone en la tabla III, debido al único método de aportación escalonada del combustible con un gas inerte tal como vapor, la cantidad de vapor requerido para dilución de combustible es sumamente baja. La cantidad de vapor necesaria para aportación escalonada (F-I) es de aproximadamente 2% a 10% en base de kg por kg (lb por lb) en comparación con el combustible a baja presión. La alta velocidad de vapor se usa para un proceso de dilución de dos etapas: 1) dentro del tubo de lanza usando vapor y gas combustible a baja presión, y 2) en el espacio de horno usando mezcla de combustible-vapor a alta velocidad y gases de horno. As set forth in Table III, due to the unique method of phasing the fuel with an inert gas such as steam, the amount of steam required for fuel dilution is extremely low. The amount of steam needed for staggered contribution (F-I) is approximately 2% to 10% based on kg per kg (lb per lb) compared to low pressure fuel. The high steam velocity is used for a two-stage dilution process: 1) inside the spear tube using steam and low pressure fuel gas, and 2) in the furnace space using high speed fuel-steam mixture and oven gases

Los experimentos de laboratorio usando un gas inerte, tal como nitrógeno, han demostrado que son posibles reducciones de NOx de aproximadamente 30% a 40% en base a una comparación entre la configuración de lanza simple de la técnica anterior (puntas de cremallera o circulares solo sin disposición de lanza en lanza) y la configuración de lanza en lanza de la figura 9. Por ejemplo, usando un quemador de NOx bajo, a una tasa de combustión de 5,28·106 kg/h (5 MM btu/h), usando aire ambiente de combustión, un horno que opera a una temperatura media de 871,1°C (1600°F), gases de escape a 1093,3°C (2000°F), usando una tasa de flujo de nitrógeno de 10% en base de peso, la emisión de NOx se reduce de aproximadamente 10 ppm (corregido a 3% O2) para gas no inerte en el centro a aproximadamente 7 ppm (corregido a 3% O2) con gas nitrógeno en el centro. Laboratory experiments using an inert gas, such as nitrogen, have shown that NOx reductions of approximately 30% to 40% are possible based on a comparison between the simple lance configuration of the prior art (rack or circular tips only without lance lance arrangement) and the lance lance configuration of Figure 9. For example, using a low NOx burner, at a combustion rate of 5.28 · 106 kg / h (5 MM btu / h) , using combustion ambient air, an oven operating at an average temperature of 871.1 ° C (1600 ° F), exhaust gases at 1093.3 ° C (2000 ° F), using a nitrogen flow rate of 10% by weight, the NOx emission is reduced from approximately 10 ppm (corrected to 3% O2) for non-inert gas in the center to approximately 7 ppm (corrected to 3% O2) with nitrogen gas in the center.

En cada una de las realizaciones explicadas anteriormente, los resultados favorables logrados por la presente invención son promovidos por dos diferencias en las corrientes que salen de los dos conductos. La primera diferencia es una diferencia en los estados termodinámicos de las respectivas corrientes, y la segunda diferencia es una diferencia en los índices de combustible de las respectivas corrientes. Específicamente, para que haya un potencial de mezcla entre las dos corrientes que salen de los dos conductos, debe haber una diferencia en los estados termodinámicos de las dos corrientes, y debe existir una diferencia de al menos 0,1, y preferiblemente al menos 0,2, entre los índices de combustible de las dos corrientes para una reducción significativa de NOx. In each of the embodiments explained above, the favorable results achieved by the present invention are promoted by two differences in the currents leaving the two ducts. The first difference is a difference in the thermodynamic states of the respective currents, and the second difference is a difference in the fuel indices of the respective currents. Specifically, for there to be a potential for mixing between the two currents leaving the two conduits, there must be a difference in the thermodynamic states of the two currents, and there must be a difference of at least 0.1, and preferably at least 0 , 2, between the fuel rates of the two streams for a significant reduction of NOx.

En las realizaciones ilustradas en las figuras y explicadas anteriormente, la diferencia entre los estados termodinámicos de las dos corrientes se expresa en términos de la presión diferencial (es decir, un fluido a “alta presión” en un conducto, y un fluido a “baja presión” en el otro conducto). Sin embargo, los expertos en la técnica reconocerán que el diferencial en estados termodinámicos también puede ser expresado en términos de, y lograrse como resultado de, diferencias de velocidad, temperatura, concentración, composición, fracción de volumen, tasa de flujo, potencial eléctrico, etc. In the embodiments illustrated in the figures and explained above, the difference between the thermodynamic states of the two streams is expressed in terms of the differential pressure (ie, a "high pressure" fluid in a conduit, and a "low fluid" pressure ”in the other duct). However, those skilled in the art will recognize that the differential in thermodynamic states can also be expressed in terms of, and achieved as a result of, differences in speed, temperature, concentration, composition, volume fraction, flow rate, electrical potential, etc.

Por lo tanto, la presente invención incluye otras muchas realizaciones y variaciones que no se ilustran en las figuras Therefore, the present invention includes many other embodiments and variations that are not illustrated in the figures.

o se explican en la descripción detallada de la invención. Sin embargo, dichas realizaciones y variaciones caen dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus equivalentes. or are explained in the detailed description of the invention. However, said embodiments and variations fall within the scope of the appended claims and their equivalents.

Los expertos en la técnica también reconocerán que las realizaciones y variaciones ilustradas en los dibujos y explicadas en la descripción detallada de la invención no describen todas las posibles disposiciones de la presente invención, y que otras disposiciones son posibles. Consiguientemente, todas las otras disposiciones son contempladas por la presente invención y caen dentro del alcance de la presente invención. Por ejemplo, en cada una de las realizaciones ilustradas en las figuras 7 y 9, la disposición de las corrientes a presión baja y presión alta se puede invertir (es decir, la lanza de presión baja puede ser la lanza interior, y la lanza de presión alta puede ser la lanza exterior). Those skilled in the art will also recognize that the embodiments and variations illustrated in the drawings and explained in the detailed description of the invention do not describe all possible provisions of the present invention, and that other arrangements are possible. Accordingly, all other arrangements are contemplated by the present invention and fall within the scope of the present invention. For example, in each of the embodiments illustrated in Figures 7 and 9, the arrangement of the low pressure and high pressure currents can be reversed (ie, the low pressure lance can be the inner lance, and the lance of high pressure can be the outer lance).

Además de reducidas emisiones de NOx, hay otras ventajas y beneficios de la presente invención, algunos de los cuales se explican a continuación: In addition to reduced NOx emissions, there are other advantages and benefits of the present invention, some of which are explained below:

**
El método propuesto de aportación escalonada del combustible permite el enfriamiento de punta activo debido a aportación escalonada (F-F) o aportación escalonada (F-I). Para puntas de combustible que tienen una salida relativamente grande de la zona de punta, las puntas de boquilla son enfriadas activamente por gas combustible saliente a alta velocidad o la corriente inerte. Ésta es una mejora significativa sobre las boquillas circulares convencionales.  The proposed method of phased fuel input allows the cooling of active tip due to staggered contribution (F-F) or staggered contribution (F-I). For fuel tips that have a relatively large outlet from the tip area, the nozzle tips are actively cooled by high speed outgoing fuel gas or inert current. This is a significant improvement over conventional circular nozzles.

**
Debido a una eficiencia de arrastre relativamente pobre y temperatura operativa más alta, las puntas convencionales tienen serios problemas de mantenimiento y problemas de obturación de hollín usando combustibles de C/H alta. En comparación, la presente invención tiene las ventajas siguientes:  Due to relatively poor drag efficiency and higher operating temperature, conventional tips have serious maintenance problems and soot seal problems using high C / H fuels. In comparison, the present invention has the following advantages:

--
Reducida tendencia a coke mientras se usan combustibles de contenido de carbono más alto  Reduced tendency to coke while using higher carbon content fuels

--
Capacidad de usar tasas de flujo más bajas o combustibles de valor de calentamiento más alto  Ability to use lower flow rates or higher heating value fuels

--
Capacidad de usar material de boquilla de combustible más barato (es adecuado acero inoxidable 304 o 310)  Ability to use cheaper fuel nozzle material (304 or 310 stainless steel is suitable)

El craqueo térmico es una preocupación principal en muchos hornos de refinería donde las composiciones de combustible contienen hidrocarbonos en el rango de C1 a C4. Se ha hallado que el carbono craqueado tapone las boquillas del quemador y crea sobrecalentamiento de partes del quemador, reducida productividad y pobre eficiencia térmica. Así, una operación sin mantenimiento (usando aportación escalonada F-F o F-I) es una ventaja crítica para el operador de refinería. Thermal cracking is a major concern in many refinery furnaces where fuel compositions contain hydrocarbons in the range of C1 to C4. It has been found that cracked carbon clogs the burner nozzles and creates overheating of burner parts, reduced productivity and poor thermal efficiency. Thus, a maintenance-free operation (using phased input F-F or F-I) is a critical advantage for the refinery operator.

Aunque se ha ilustrado y descrito aquí con referencia a algunas realizaciones específicas, no se ha previsto, no obstante, que la presente invención se limite a los detalles mostrados. Más bien, se pueden hacer varias modificaciones en los detalles dentro del alcance y rango de equivalentes de las reivindicaciones. Although it has been illustrated and described herein with reference to some specific embodiments, it is not intended, however, that the present invention be limited to the details shown. Rather, several modifications to the details can be made within the scope and range of equivalents of the claims.

Claims (9)

REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo de dilución de combustible para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible, incluyendo: 1. A fuel dilution device to dilute a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through phased fuel input, including: un primer conducto (32) que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto (32) para transmitir una corriente de un combustible que entra en la entrada y sale por la salida y a first conduit (32) having an input and an outlet spaced from the input, the first conduit (32) being adapted to transmit a stream of a fuel entering the entrance and exiting through the exit and un segundo conducto (34) que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto (34) para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y sale por la evacuación, definiendo la salida del primer conducto (32) y la evacuación del segundo conducto (34) una posición de mezcla próxima a la salida y la evacuación, caracterizado porque el dispositivo incluye además a second conduit (34) having an intake and a spaced outlet evacuation, the second conduit (34) being adapted to transmit a current of a fluid entering the intake and exiting through the evacuation, defining the exit of the first conduit (32) and the evacuation of the second conduit (34) a mixing position close to the outlet and the evacuation, characterized in that the device also includes una boquilla de cremallera (74) en comunicación de fluido hacia abajo con la salida del primer conducto (34) y la posición de mezcla. a rack nozzle (74) in fluid communication down with the first duct outlet (34) and the mixing position.
2.2.
Un dispositivo de dilución de combustible según la reivindicación 1, donde el primer conducto (32) está adyacente al segundo conducto (34),  A fuel dilution device according to claim 1, wherein the first conduit (32) is adjacent to the second conduit (34),
3.3.
Un dispositivo de dilución de combustible según la reivindicación 1, donde el segundo conducto (34) está dispuesto en el primer conducto (32).  A fuel dilution device according to claim 1, wherein the second conduit (34) is disposed in the first conduit (32).
4.Four.
Un dispositivo de dilución de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, incluyendo además un turbulenciador (54) dispuesto en el segundo conducto (34).  A fuel dilution device according to any one of claims 1 to 3, further including a turbulence (54) disposed in the second conduit (34).
5.5.
Un dispositivo de dilución de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el segundo conducto (34) tiene un diámetro equivalente (Dc) y la evacuación del segundo conducto (34) está situada a una distancia detrás de la salida del primer conducto (32), estando dicha distancia en un rango de aproximadamente (2 x Dc) a aproximadamente (20 x Dc), y/o  A fuel dilution device according to any one of claims 1 to 4, wherein the second conduit (34) has an equivalent diameter (Dc) and the evacuation of the second conduit (34) is located at a distance behind the outlet of the first conduit (32), said distance being in a range of approximately (2 x Dc) to approximately (20 x Dc), and / or
donde el dispositivo de dilución de combustible está en comunicación de fluido con un horno conteniendo una cantidad de un gas de horno. where the fuel dilution device is in fluid communication with an oven containing an amount of an oven gas.
6.6.
Un método para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible utilizando un dispositivo de dilución de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, incluyendo los pasos de:  A method for diluting a fuel to reduce nitrogen oxide emissions through staggered fuel delivery using a fuel dilution device according to any one of claims 1 to 5, including the steps of:
a) alimentar una corriente del combustible a la entrada del primer conducto (32), transmitir la corriente del combustible que entra en la entrada a través del primer conducto (32); saliendo dicha corriente del combustible por la salida del primer conducto (32) en un primer estado termodinámico y un primer índice de combustible; a) feeding a fuel stream to the inlet of the first duct (32), transmitting the stream of the fuel entering the inlet through the first duct (32); said fuel stream leaving the outlet of the first conduit (32) in a first thermodynamic state and a first fuel index; b) alimentar una corriente de un fluido a la admisión de un segundo conducto (34); transmitir la corriente del fluido que entra en la admisión a través del segundo conducto (34), saliendo dicha corriente del fluido de la evacuación del segundo conducto (34) en un segundo estado termodinámico y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo el segundo estado termodinámico diferente del primer estado termodinámico; b) feeding a current of a fluid to the admission of a second conduit (34); transmitting the current of the fluid entering the intake through the second conduit (34), said current flowing from the evacuation fluid of the second conduit (34) in a second thermodynamic state and a second fuel index, the second index being fuel different from the first fuel index by at least about 0.1 and the second thermodynamic state being different from the first thermodynamic state; c) proporcionar por ello un potencial para mezcla entre la corriente del combustible que sale por la salida del primer conducto (32) y la corriente del fluido que sale por la evacuación del segundo conducto (34); c) thereby providing a potential for mixing between the fuel stream that exits the first duct (32) and the fluid stream that exits the second duct (34); d) mezclar al menos una porción de la corriente del combustible que sale por la salida del primer conducto (32) con al menos una porción de la corriente del fluido que sale por la evacuación del segundo conducto (34) en una posición próxima a la salida y la evacuación d) mixing at least a portion of the fuel stream that exits through the outlet of the first duct (32) with at least a portion of the fluid stream that exits through the evacuation of the second duct (34) in a position close to exit and evacuation e) generar por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible; e) thereby generating at least one diluted fuel stream having an intermediate fuel index between the first fuel index and the second fuel index; f) transmitir a través de la boquilla de cremallera al menos una porción de la corriente de combustible diluido; f) transmit at least a portion of the diluted fuel stream through the rack nozzle; g) proporcionar una fuente de un oxidante; y g) provide a source of an oxidant; Y h) quemar una porción del oxidante con al menos una porción de la corriente de combustible diluido. h) burn a portion of the oxidant with at least a portion of the diluted fuel stream.
7.7.
Un método según la reivindicación 6, donde el fluido es un combustible, o donde el fluido se selecciona de un grupo que consta de vapor, gases de combustión, dióxido de carbono, nitrógeno, argón, helio, xenón, criptón, otros fluidos inertes, y sus mezclas o combinaciones.  A method according to claim 6, wherein the fluid is a fuel, or wherein the fluid is selected from a group consisting of steam, flue gases, carbon dioxide, nitrogen, argon, helium, xenon, krypton, other inert fluids, and their mixtures or combinations.
8.8.
Un método según la reivindicación 6 o 7 utilizando un dispositivo como el definido en la reivindicación 4, incluyendo el paso adicional de:  A method according to claim 6 or 7 using a device as defined in claim 4, including the additional step of:
5 transmitir al menos una porción de la corriente del fluido a través del turbulenciador (56), arremolinando por ello al menos una porción del fluido que sale por el segundo conducto. 5 transmit at least a portion of the fluid flow through the turbulence (56), thereby swirling at least a portion of the fluid flowing out of the second conduit.
9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, utilizando un dispositivo de dilución de combustible como el definido en la reivindicación 5, incluyendo el paso adicional de colocar el dispositivo de dilución de A method according to any one of claims 6 to 8, using a fuel dilution device as defined in claim 5, including the additional step of placing the dilution device of 10 combustible en comunicación de fluido con un horno conteniendo una cantidad de un gas de horno, mezclando por ello al menos una porción de la cantidad del gas de horno con al menos una porción de la corriente de combustible diluido. 10 fuel in fluid communication with an oven containing an amount of an oven gas, thereby mixing at least a portion of the amount of the oven gas with at least a portion of the diluted fuel stream.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004037620C5 (en) * 2004-08-02 2015-09-17 Air Liquide Deutschland Gmbh Fuel-oxygen burner with variable flame length
WO2007048429A1 (en) * 2005-10-28 2007-05-03 L'Air Liquide Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude Oxygen/fuel burner with variable flame length
US20100089020A1 (en) * 2008-10-14 2010-04-15 General Electric Company Metering of diluent flow in combustor
PL2815180T3 (en) * 2011-12-01 2019-04-30 Air Prod & Chem Staged oxy-fuel burners and methods for using the same
JP2016003847A (en) * 2014-06-19 2016-01-12 Jfeケミカル株式会社 Two-stage combustion method
CN105699413B (en) * 2016-02-25 2018-06-29 上海交通大学 Work in the simulation system for thermodynamics exhaust system research of room temperature warm area
CN113280354B (en) * 2021-05-19 2023-07-04 光大环境科技(中国)有限公司 Process method for coupling high-temperature tail gas and gas into furnace in active carbon preparation process

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4995807A (en) * 1989-03-20 1991-02-26 Bryan Steam Corporation Flue gas recirculation system
US4946382A (en) * 1989-05-23 1990-08-07 Union Carbide Corporation Method for combusting fuel containing bound nitrogen
US4988285A (en) * 1989-08-15 1991-01-29 Union Carbide Corporation Reduced Nox combustion method
JP2638394B2 (en) * 1992-06-05 1997-08-06 日本ファーネス工業株式会社 Low NOx combustion method
JPH07180816A (en) * 1993-12-22 1995-07-18 Osaka Gas Co Ltd Premixing burner
US5601425A (en) * 1994-06-13 1997-02-11 Praxair Technology, Inc. Staged combustion for reducing nitrogen oxides
US5516279A (en) * 1994-07-06 1996-05-14 The Boc Group, Inc. Oxy-fuel burner system designed for alternate fuel usage
US5611682A (en) * 1995-09-05 1997-03-18 Air Products And Chemicals, Inc. Low-NOx staged combustion device for controlled radiative heating in high temperature furnaces
US5743723A (en) * 1995-09-15 1998-04-28 American Air Liquide, Inc. Oxy-fuel burner having coaxial fuel and oxidant outlets
US5762486A (en) * 1996-02-21 1998-06-09 Praxair Technology, Inc. Toroidal vortex combustion for low heating value liquid
US6238206B1 (en) * 1997-05-13 2001-05-29 Maxon Corporation Low-emissions industrial burner
FR2788110B1 (en) * 1998-12-30 2001-02-16 Air Liquide COMBUSTION PROCESS AND ITS USES FOR THE PREPARATION OF GLASS AND METAL
US6085674A (en) * 1999-02-03 2000-07-11 Clearstack Combustion Corp. Low nitrogen oxides emissions from carbonaceous fuel combustion using three stages of oxidation
US6126438A (en) * 1999-06-23 2000-10-03 American Air Liquide Preheated fuel and oxidant combustion burner
US6383462B1 (en) * 1999-10-26 2002-05-07 John Zink Company, Llc Fuel dilution methods and apparatus for NOx reduction
JP2002228122A (en) 2001-02-05 2002-08-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Combustion device
EP1359496B1 (en) * 2001-02-09 2017-07-19 Sony Corporation Input device
JP2003074804A (en) 2001-09-05 2003-03-12 Mitsubishi Electric Corp Combustion device
US6773256B2 (en) * 2002-02-05 2004-08-10 Air Products And Chemicals, Inc. Ultra low NOx burner for process heating
US6752620B2 (en) * 2002-01-31 2004-06-22 Air Products And Chemicals, Inc. Large scale vortex devices for improved burner operation
CN2550652Y (en) * 2002-04-30 2003-05-14 刘超杰 High efficiency environment protection burner
US6866503B2 (en) * 2003-01-29 2005-03-15 Air Products And Chemicals, Inc. Slotted injection nozzle and low NOx burner assembly

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