ES2566798T3 - Combustión con bajas emisiones de NOx - Google Patents

Abstract

Un método de combustión que reduce la cantidad de NOx emitido que comprende: - proporcionar un dispositivo de combustión (1) que tiene una zona de combustión primaria (10) y una zona de quemado exhaustivo (9); - suministrar aire, y combustible no acuoso que contiene nitrógeno unido y se selecciona entre el grupo que consiste en líquido de hidrocarburo atomizado y sólidos de hidrocarburo pulverulento, a través de un quemador (3) dentro de dicha zona de combustión primaria (10); y - hacer arder el combustible en una llama (6) en la zona de combustión primaria (10) que tiene una zona rica en combustible (8), mientras - se suministra oxígeno como una corriente que contiene al menos 35% en volumen de O2 dentro de dicho combustible inyectándolo directamente dentro de dicho combustible en dicha zona de combustión primaria (10) cuando dicho combustible emerge de dicho quemador (3), de manera que el oxígeno entra en combustión con dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8), en donde se suministra dicho oxígeno dentro de dicho combustible en una cantidad de dicho oxígeno que es menor del 20% de la cantidad estequiométrica requerida para la combustión completa de dicho combustible, y ajustar la cantidad de aire suministrado a través de dicho quemador (3) de manera que la relación estequiométrica en dicha zona de combustión primaria (10) está entre 0,6 y 0,99, - y añadir aire dentro de dicha zona de quemado exhaustivo (9) desde una fuente (7) aparte de dicho quemador (3) en una cantidad que contiene suficiente oxígeno para que la cantidad total de oxígeno suministrado dentro de dicho dispositivo (1) sea al menos la cantidad estequiométrica necesaria para la combustión completa de dicho combustible, y hacer arder los combustibles residuales de dicha zona de combustión primaria (10) en dicha zona de quemado exhaustivo (9), caracterizado porque, - dicho oxígeno se inyecta directamente dentro de dicho combustible a través de una lanza (5) que tiene un extremo cerrado y que tiene al menos dos boquillas (34) proporcionadas a lo largo del perímetro de la lanza (5) cerca del extremo cerrado de la lanza (5), cada una de las cuales forma un ángulo de 30 a 90 grados con respecto a la inversa de la dirección de flujo de oxígeno dentro de la lanza (5).

Description

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DESCRIPCION

Combustion con bajas emisiones de NOx Campo de la Invencion

La presente invencion se refiere a la combustion de combustibles hidrocarbonados que contienen nitrogeno unido, particularmente de carbon.

Antecedentes de la Invencion

En EEUU y en todo el mundo esta creciendo la conciencia medioambiental lo que esta conduciendo a aumentar la presion publica y legislativa para rebajar las emisiones de agentes contaminantes procedentes de calderas, incineradores y hornos. Un agente contaminante de particular preocupacion es el NOx (por lo cual se quiere decir oxidos de nitrogeno tales como pero no limitados a NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N3O4, y mezclas de los mismos), el cual ha estado implicado en la lluvia acida, el ozono a nivel de suelo, y la formacion de partfculas finas.

Estan disponibles un numero de tecnologfas para rebajar las emisiones de NOx. Estas tecnologfas se pueden dividir en dos grandes clases, primarias y secundarias. Las tecnologfas primarias minimizan o previenen la formacion de NOx en la zona de combustion mediante el control del proceso de combustion. Las tecnologfas secundarias usan compuestos qmmicos para reducir el NOx formado en la zona de combustion a nitrogeno molecular. La presente invencion es una tecnologfa de control primaria.

En las tecnologfas de control primarias, se usan diferentes estrategias de combustion para controlar el denominado “NOx termico” y el “NOx de combustible”. El NOx termico se forma por oxidacion de moleculas de nitrogeno, N2, principalmente en aire de combustion a alta temperatura. Es la principal fuente de emisiones de NOx procedentes de gas natural y aceites ligeros que no contienen especies de nitrogeno qmmicamente unido. La principal estrategia de control para reducir las emisiones de NOx termico es disminuir la temperatura pico de la llama. El NOx de combustible se forma por la oxidacion de especies nitrogenadas contenidas en el combustible y es la principal fuente de emisiones de NOx procedentes de la combustion de carbon y aceite pesado. La presente invencion se refiere a metodos de combustion mejorados para controlar la emision de NOx de combustible.

La tecnologfa de control primaria para NOx de combustible comunmente se denomina combustion escalonada en la cual la mezcla entre el aire de combustion y el combustible se controla cuidadosamente para minimizar la formacion de NOx. La formacion de NOx a partir del nitrogeno del combustible esta basada en una competicion entre la formacion de NOx y la formacion de N2 a partir de las especies nitrogenadas en los volatiles del combustible y el nitrogeno del residuo carbonoso. Las condiciones ricas en oxfgeno conducen la competicion hacia la formacion de NOx. Las condiciones ricas en combustible conducen las reacciones a la formacion de N2. La combustion escalonada toma ventaja de este fenomeno al controlar cuidadosamente la mezcla de aire y combustible para formar una region rica en combustible para prevenir la formacion de NOx. Para disminuir las emisiones de NOx, la region rica en combustible debe estar suficientemente caliente para hacer funcionar las cineticas de reduccion de NOx. Sin embargo, tiene que transferirse suficiente calor desde la primera etapa rica en combustible a la carga de calor del horno para prevenir la formacion de NOx termico en la segunda etapa.

Un quemador de bajo NOx convencional (LNB, del Ingles “Low NOx Burner”) incluye una primera zona rica en combustible, cerca del orificio de alimentacion, el cual esta principalmente controlado mediante la mezcla y combustion de combustible y aire primario, y hasta cierto punto, aire secundario o terciario mezclado en esta zona. Para la combustion de carbon pulverizado el aire primario se usa para transportar las partfculas de carbon.

En una segunda zona, el resto del aire secundario y cualquier aire terciario se mezclan con el combustible inquemado y los productos de la combustion parcial de la primera etapa y se completa la combustion. Un requerimiento de proceso importante para la combustion escalonada es transferir una cantidad suficiente de calor desde la primera etapa rica en combustible a la carga de calor del horno para enfriar los productos de combustion de la primera etapa. La temperatura inferior de la segunda etapa ayuda a disminuir la conversion de los compuestos nitrogenados restantes a NOx y tambien previene la formacion de NOx termico en la segunda etapa.

En el documento de patente US-A-5 291 841 hay descrito un metodo de combustion multi etapa de carbon que porta azufre y nitrogeno. En la primera etapa, una gran fraccion de los hidrocarburos se consumen totalmente del combustible a alta temperatura y el azufre unido en el carbon se libera del mismo y, a continuacion, se captura mediante reaccion con un compuesto basico solido tal como caliza a relativamente baja temperatura. En la etapa 2 los hidrocarburos restantes en el combustible se consumen totalmente, y la mezcla residual de cenizas de carbon y compuestos calcio-azufre se fusionan, encapsulando el azufre en escoria lfquida, y una gran porcion de los compuestos fundidos se separa de la corriente de gas. En la etapa 3, la oxidacion de CO y H2 casi se completa enteramente y los gases de combustion sustancialmente se enfnan mediante transferencia de calor al medio de funcionamiento. En la etapa 4, la combustion finalmente se completa en exceso de aire.

En un LNB aerodinamicamente escalonado, se introduce todo el aire de combustion desde el mismo puerto del quemador o adyacente al puerto del quemador. La configuracion mas comun de un quemador de carbon de bajo

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NOx es tener una serie de conductos anulares para el carbon/aire primario, aire secundario y aire terciario. El conducto central con frecuencia se usa para la pistola de aceite o para el gas natural para iniciar el calentamiento. Los flujos de aire secundario y terciario estan equipados con generadores de turbulencia para impartir flujos turbulentos para crear una zona de recirculacion para la estabilidad de la llama. Las velocidades del aire y el torbellino se ajustan para crear una primera zona rica en combustible relativamente grande a lo largo del eje del quemador, seguido de una mezcla relativamente gradual de aire secundario y terciario a lo largo del horno. Puesto que se deben proporcionar velocidades de aire suficientes para mezclar el combustible y el aire dentro del espacio del horno para completar la combustion, es diffcil crear una zona rica de combustible muy grande para proporcionar un tiempo de residencia suficientemente largo para la maxima reduccion de NOx.

Aunque el LNB es un modo bastante economico para reducir el NOx y se han realizado muchos avances en el diseno del horno, las versiones actualmente disponibles aun no son capaces de alcanzar los lfmites de emisiones en regulaciones pendientes de 0,068 kg (0,15 libras) (como NO2) por MMBtu de carbon quemado para calderas de servicio.

Los expertos en la tecnica han superado las limitaciones de un LNB aerodinamicamente escalonado mediante un plan de combustion globalmente escalonada usando “aire sobre fuego” (OFA, del Ingles “Over Fire Air”). Se inyecta OFA de manera separada de un quemador o un grupo de quemadores para proporcionar una gran zona de combustion primaria (PCZ, del Ingles “Primary Combustion Zone”) rica en combustible y una zona de quemado exhaustivo (BOZ, del Ingles “Burnout Zone”) donde se complete la combustion mezclando OFA y combustible inquemado y los productos de la combustion parcial de la PCZ. Generalmente los puertos OFA estan separados al menos un diametro de puerto de quemador desde el quemador mas cercano y varios diametros de puerto de quemador desde el quemador mas lejano. Aunque el combustible y la mezcla de aire y las condiciones estequiometricas locales cerca del puerto de quemador de un quemador individual sean similares a las de sin OFA, se forma una gran PCZ rica en combustible fuera de la zona de mezcla de aire de combustion cerca del quemador. Debido a la separacion ffsica de los puertos de inyeccion de OFA, el tiempo de residencia en la PCZ rica en combustible es mucho mayor que el generalmente obtenido en la primera zona rica en combustible de un quemador aerodinamicamente escalonado. La combinacion de los puertos de LNB y OFA ha posibilitado la reduccion adicional en las emisiones de NOx.

Los quemadores de bajo NOx y aire sobre fuego (sistemas OFA) representan una tecnologfa bastante madura y como tal se tratan ampliamente durante toda la patente y bibliograffa de archivo. Se han propuesto muchas ideas para aumentar la eficacia de LNB y OFA mientras se minimizan los impactos perjudiciales tales como escasa estabilidad de la llama y carbon en la ceniza incrementado. De estas ideas dos son particularmente relevantes: precalentar el aire para la primera etapa, y convertir la camara de combustion para oxicombustion de combustible.

Tanto el precalentamiento de aire como la oxicombustion de combustible aumentan la eficacia de la combustion escalonada para la reduccion de NOx del combustible al incrementar la temperatura en la zona de combustion primaria sin incrementar la relacion estequiometrica. La oxicombustion de combustible ofrece la ventaja adicional de mayores tiempos de residencia en la region rica en combustible, debido a flujos de gas inferiores, lo cual ha demostrado que reduce las emisiones de NOx. Tal como se ha discutido anteriormente, la combustion escalonada usa una etapa rica en combustible para promover la formacion de N2 en lugar de NOx. Puesto que las reacciones para formar N2 estan cineticamente controladas, tanto la temperatura como la concentracion radical de hidrocarburo son cnticas para reducir la formacion de NOx. Por ejemplo, si la temperatura es alta y la concentracion radical es baja, tal como bajo condiciones no escalonadas o ligeramente escalonadas, se incrementa la formacion de NOx. Cuando la concentracion radical es alta pero la temperatura es baja, tal como bajo condiciones profundamente escalonadas, se retrasa la conversion de especies intermedias tal como HCN a N2. Cuando se anade aire para el quemado exhaustivo completo, los intermedios se oxidan para formar NOx, por lo tanto se incrementa la formacion de NOx neto.

Sarofim et al. “Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions During Combustion of Nitrogen bearing fuels”, “69th Annual Meeting of AlChE”, Chicago, IL, Nov. de 1976, y otros han sugerido que las cineticas de la primera etapa se pueden aumentar mediante el precalentamiento del aire de combustion a temperaturas bastantes altas. Alternativamente Kobayashi et al. (“NOx Emission Characteristics of Industrial Burners and Control Methods Under Oxygen-Enriched Combustion Conditions”, “International Flame Research Foundation 9th Members' Conference”, Noordwijkerhout, Mayo de 1989), sugirieron que usando oxfgeno en lugar de aire para la combustion incremental tambien las cineticas. La oxicombustion de combustible, cuando la temperatura de llama esta controlada por el diseno del quemador, reduce mas la formacion de NOx termico mediante la eliminacion de manera sustancial de N2 en el aire de combustion. En ambos casos el resultado neto es que se incrementa la temperatura del gas en la primera etapa, dando como resultado reducida formacion de NOx. Ademas, el uso de tanto el precalentamiento de aire como la oxicombustion de combustible permite que la primera etapa este mas profundamente escalonada sin degradar la estabilidad de la llama. Esto permite incluso mas reducciones en la formacion de NOx.

La oxicombustion de combustible ofrece una ventaja adicional para LNB. Timothy et al. (“Characteristics of Single Particle Coal Combustion”, “19th Symposium (international) on Combustion”, The Combustion Institute, 1983) mostraron que los tiempos de desvolatilizacion se reducen significativamente, y se incrementa la produccion volatil, cuando el carbon se quema en condiciones enriquecidas en oxfgeno. Estos ensayos eran ensayos de combustion

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de partfcula sencilla realizados bajo condiciones altamente pobres en combustible, lo cual no proporciona informacion sobre como se necesita mucho ox^geno para conseguir esto bajo condiciones de combustion mas realistas. La mayor produccion volatil quiere decir que los combustibles en la fase gaseosa se incrementan en comparacion con el punto de referencia - conduciendo a una fase gaseosa mas rica en combustible que inhibe la formacion de NOx a partir de las especies de nitrogeno volatiles. Ademas, los volatiles de combustible prenden rapidamente y afianzan la llama al quemador, lo cual ha mostrado que baja la formacion de NOx. La aumentada produccion de volatil tambien conduce a acortar los tiempos de quemado exhaustivo puesto que se queda menos residuo carbonoso.

0. Marin, et al., discuten los beneficios del oxfgeno para la combustion de carbon en un artfculo titulado “Oxigen Enrichment in Boiler” (“2001 AFRC/JFRC/IEA Joint International Combustion Symposium”, Kaui, HI, 9-13 de Septiembre, 2001). Propusieron la inyeccion de oxfgeno en el aire sobre fuego (tambien descrito como “aire terciario” en este artfculo), para reducir el carbon inquemado en la ceniza, o perdido en la ignicion (LOI, del Ingles “Loss on Ignition”), sin incrementar la emision de NOx. Los resultados de la simulacion en ordenador presentados por Marin, et al. compararon el caso del aire de referencia y un caso enriquecido en oxfgeno con una alta velocidad, la corriente enriquecida en oxfgeno en el aire terciario (tambien calificado aire sobre fuego). De acuerdo con Marin, et al., “Se nota un incremento del 5% sobre la transferencia de calor en la camara de combustion, combinado con un incremento absoluto del 7% en el quemado exhaustivo del residuo carbonoso.” (pagina 8)

El documento de Patente U.S. N° 4.495.874 describe el enriquecimiento en oxfgeno del aire primario y/o secundario en quemadores de carbon pulverizado para incrementar el mdice de vapor de una caldera de carbon altamente pulverizado a cenizas. El Ejemplo 4, en el que se describe los efectos del enriquecimiento en oxfgeno sobre emisiones de NO cuando se quema carbon alto en cenizas, dice que el oxfgeno anadido al aire primario o igualmente al aire primario o secundario incremento inicialmente el contenido de NO a aproximadamente un 2% de enriquecimiento (lo cual esta definido en la presente memoria como concentracion de O2 al 23% del aire total), pero descendio bruscamente la cantidad de NO en el gas de la chimenea a mayores enriquecimientos. Por ejemplo, a 4 por ciento de enriquecimiento, se descendio el NO aproximadamente 18 a 21 por ciento. Sin embargo, no hay descenso de NO resultante cuando se anadio oxfgeno solamente al aire secundario. De hecho, hubo un incremento en la concentracion de NO de aproximadamente 12 por ciento.

Aunque la tecnica anterior describe diversos aumentos elegantes para la combustion escalonada y LNB, diversos problemas practicos han limitado su aplicacion. Primero, el precalentamiento del aire de combustion a los niveles requeridos para aumentar las cineticas requiere diversas modificaciones tanto del sistema como de la canalizacion del aire. Las secciones de calentador del aire y economizador deben estar modificadas para permitir que el aire entrante se caliente a mayores temperaturas, lo cual puede requerir modificaciones del resto de los componentes del ciclo de vapor. El sistema de conductos y la caja de vientos, asf como el propio quemador, tambien deben estar modificados para manejar el aire caliente. Todas las modificaciones pueden ser costosas y pueden tener un impacto negativo sobre el funcionamiento de la caldera.

La barrera principal para el uso de oxicombustion de combustible en calderas ha sido el coste del oxfgeno. Para que el uso de oxfgeno sea economico los ahorros de combustible conseguidos mediante el incremento de la eficacia del proceso deben ser mayores que el coste del oxfgeno administrado. Para funcionamientos en alta temperatura, tales como hornos sin significante recuperacion de calor, esto se consigue facilmente. Sin embargo, para funcionamientos mas eficientes, tales como calderas, los ahorros de combustible alcanzables mediante el uso de oxicombustion de combustible generalmente es mucho menor que el coste del oxfgeno. Por ejemplo, si una caldera de servicio de carbon tfpica se convirtiera de combustion por aire a de combustion por oxfgeno, se requerira aproximadamente 15 a 20% del rendimiento de energfa de esa caldera para producir el oxfgeno necesario. Claramente, esto es poco economico para la mayona de las calderas.

Por tanto queda una necesidad de un metodo para conseguir reducidas emisiones de NOx en la combustion de combustible (particularmente carbon) que contiene uno o mas componentes nitrogenados y especialmente de un metodo que se pueda llevar a cabo en hornos existentes sin requerir extensas modificaciones estructurales.

Breve compendio de la invencion

Un aspecto de la presente invencion, la cual tambien se puede considerar un metodo para actualizar dispositivos de combustion existentes, es un metodo que reduce la cantidad de NOx emitida tal como se define en la reivindicacion

1.

Otro aspecto de la presente invencion tal como se define en la reivindicacion 7 se puede considerar un metodo para operar un dispositivo de combustion, sea actualizado o construido nuevo que incorpora las caractensticas de esta invencion, en donde el metodo reduce la cantidad de NOx emitido.

Tal como se usa en la presente memoria el termino “relacion estequiometrica” cuando se usa en el contexto de una corriente oxidante que contiene oxfgeno y una corriente de combustible quiere decir la relacion entre el oxfgeno en la corriente oxidante y la corriente de combustible y la cantidad total de oxfgeno que se necesitana para convertir

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completamente todo el carbono, azufre e hidrogeno presente en las sustancias que comprenden la corriente de combustible a dioxido de carbono, dioxido de azufre y agua.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “rico en combustible” quiere decir que tiene una relacion estequiometrica menor de 1,0 y el termino “pobre en combustible” quiere decir que tiene una relacion estequiometrica mayor de 1,0.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “nitrogeno unido” quiere decir nitrogeno presente en una molecula en lugar de como N2.

Tal como se usa en la presente memoria, “no acuoso” quiere decir no suspendido en, disuelto en, o disperso en agua, y que no contiene agua, excepto que no excluye el agua adsorbida o el agua de hidratacion.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “zona de combustion primaria” quiere decir la region dentro de un dispositivo de combustion inmediatamente adyacente a las salidas del quemador y que esta en su mayona ocupada por la llama o llamas del quemador o quemadores.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “zona de quemado exhaustivo” quiere decir la region dentro de un dispositivo de combustion que esta entre la zona de combustion primaria y la chimenea, fuera de la llama o llamas que estan en la zona de combustion primaria, donde se inyecta el aire sobre fuego y se queman los combustibles residuales y los combustibles de la zona de combustion primaria con aire sobre fuego.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “aire de combustion primaria” quiere decir que ya ha sido combinado con combustible cuando el combustible y este aire son suministrados dentro de un dispositivo de combustion, por ejemplo, a traves de un orificio de un quemador.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “aire de combustion secundaria” quiere decir aire que se suministra dentro de un dispositivo de combustion a traves de uno o mas orificios de un quemador, pero el cual no se ha combinado con el combustible cuando este aire es suministrado dentro del dispositivo de combustion.

Un quemador que tiene orificios para el aire secundario puede tener orificios adicionales para suministrar aire, dichos orificios adicionales estan mas lejos del punto de entrada del combustible a traves del quemador de lo que estan los orificios para el aire secundario. Tal como se usa en la presente memoria, el termino “aire de combustion terciario” quiere decir aire que se suministra dentro de un dispositivo de combustion a traves de tales orificios adicionales. Si un quemador tambien tiene orificios colocados incluso mas lejos del punto de entrada del combustible que los orificios para el aire terciario, entonces el aire suministrado a traves de tales orificios lejanos se califica en la presente memoria “aire de combustion cuaternario”.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “quemador aerodinamicamente escalonado” quiere decir un quemador en el que todo el aire de combustion se introduce desde el mismo puerto del quemador o adyacente al puerto del quemador, y es capaz de operar bajo condiciones en las que estan presentes las velocidades del aire y los patrones de flujo que crean una primera zona rica en combustible relativamente grande a lo largo del eje del quemador, seguido de mezcla relativamente gradual de aire secundario y terciario a lo largo del horno.

Tal como se usa en la presente memoria, el termino “aire sobre fuego” (o OFA) quiere decir aire que se inyecta dentro de un dispositivo de combustion por separado del quemador o quemadores en el dispositivo de combustion para proporcionar una gran zona de combustion primaria rica en combustible y una zona de quemado exhaustivo donde la combustion se completa al mezclar OFA con el combustible inquemado y los productos de la combustion parcial de la zona de combustion primaria.

Las referencias en la presente memoria al suministro de “oxfgeno”, al “oxfgeno” que se suministra, y otras referencias en la presente memoria al uso de “oxfgeno” en un contexto analogo, quiere decir corrientes gaseosas que contienen al menos 35% en volumen de O2. Preferiblemente, el oxfgeno se proporciona como una corriente gaseosa que contiene al menos 50% en volumen de O2, mas preferiblemente que contiene al menos 80% en volumen de O2, e incluso mas preferiblemente que contiene al menos 90% en volumen de O2. Tambien se debena entender que las referencias en la presente memoria a la combustion o reaccion que implica “oxfgeno” se refiere al propio O2.

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 es una representacion de una seccion transversal de una realizacion del aparato para llevar a cabo la presente invencion.

La Figura 2 es una representacion de una seccion transversal de un quemador util para llevar a cabo la presente invencion.

Las Figuras 3a-3c son representaciones de una seccion transversal de lanzas utiles para suministrar oxfgeno dentro de los quemadores las cuales no forman parte de la invencion. La Figura 3d representa una lanza de acuerdo con la invencion.

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La Figura 4 son resultados del ensayo a escala de laboratorio que muestran la reduccion de las emisiones de NOx con la presente invencion.

La Figura 5 son los resultados del ensayo del quemador de bajo NOx a escala piloto que muestran la reduccion de las emisiones de NOx con la presente invencion.

La Figura 6 son los resultados del ensayo del quemador de bajo NOx a escala comercial que muestran la reduccion de las emisiones de NOx con la presente invencion.

La Figura 7a es una vista de una seccion transversal de otro tipo de horno de caldera con el cual se puede utilizar la presente invencion, en donde el combustible y el oxidante se suministran desde puertos separados tangencialmente dentro del horno. La Figura 7B es una vista superior del horno representado en la Figura 7A, que muestra el flujo tangencial del combustible y el oxidante dentro del horno. La Figura 7C es una vista frontal desde el interior del horno que examina los frentes de los puertos.

Descripcion detallada de la invencion

La invencion se describira en referencia a las Figuras, aunque una descripcion que se refiere a las Figuras no intenta limitar el alcance de lo que se pretende que sea la presente invencion.

La Figura 1 muestra el dispositivo de combustion 1, el cual puede ser cualquier aparato en donde la combustion se lleva a cabo en el interior 2 del dispositivo. Los dispositivos de combustion preferidos incluyen hornos y calderas que se usan para generar vapor para generar energfa electrica por medios convencionales, no mostrados.

Cada quemador 3 en una pared lateral o pared de extremo del dispositivo de combustion 1 suministra combustible, aire y oxfgeno a partir de fuentes de los mismos fuera del dispositivo de combustion 1 en el interior 2 del dispositivo de combustion 1. Combustibles adecuados incluyen lfquidos de hidrocarburo, tales como fuel-oil, y tambien incluyen solidos de hidrocarburo pulverulentos, un ejemplo preferido de los cuales es carbon pulverizado o coque de petroleo.

Tal como se ve en la Figura 1 y mas de cerca en la Figura 2, el quemador 3 preferiblemente esta comprendido por diversos conductos dispuestos concentricamente, aunque se pueden usar otras construcciones para el mismo efecto. El combustible se suministra dentro del dispositivo de combustion 1 por un conducto anular 4, dispuesto concentricamente alrededor de la lanza 5 por la cual se suministra oxfgeno tal como se describe en la presente memoria. Preferiblemente, el combustible es transportado desde una fuente de suministro 20 a uno o mas quemadores 3 y es impulsado a traves del quemador 3 al interior 2 del dispositivo de combustion 1, mediante medios de bombeo adecuados en el caso de lfquidos tales como fuel-oil, y mediante sopladores e impulsores de diseno convencional en el caso de solidos de hidrocarburo tales como carbon pulverizado, el cual se suministra de manera convencional dentro del dispositivo de combustion con la ayuda de aire de transporte (el cual es el aire de combustion primario). Los combustibles hidrocarbonados lfquidos preferiblemente se suministran a traves de una o mas boquillas de atomizacion de diseno convencional, para suministrar el combustible lfquido dentro de la camara de combustion como gotitas dispersas, discretas con aire de atomizacion. Una cantidad eficaz generalmente de aproximadamente 0,68 a 0,907 kg (1,5 a 2,0 libras) de aire primario se usa para transportar 0,454 kg (1 libra) de carbon, lo cual corresponde a aproximadamente el 20% del aire de combustion estequiometrico requerido para la combustion completa de carbon bituminoso. Para la combustion de aceite pesado se usa aproximadamente 0,227 a 0,454 kg (0,5 a 1,0 libras) de aire primario para atomizar 0,454 kg (1 libra) de aceite.

En referencia a la Figura 2, se administra aire de combustion 22 mediante un ventilador FD a una o mas cajas de viento 21 y se suministra a conductos de aire de uno o mas quemadores 3. El aire de combustion secundario 15 se suministra a traves del quemador 3 dentro del dispositivo de combustion 1, preferiblemente por conductos anulares 11 dispuestos concentricamente alrededor del espacio anular 4 por los que se suministra el combustible de hidrocarburo. Preferiblemente el aire de combustion terciario 16 se suministra a traves del quemador 3 dentro del dispositivo de combustion 1, preferiblemente por conductos anulares 12 dispuestos concentricamente alrededor del conducto de aire secundario. Preferiblemente el aire de combustion tambien se suministra a traves del puerto de aire sobre fuego 7 (vease en la Figura 1) dentro del dispositivo de combustion 1. Preferiblemente, el oxfgeno se suministra en el interior 2 del dispositivo aparte de cualquier aire de combustion secundario y terciario. Es decir, el oxfgeno que se suministra a traves del quemador 3 de acuerdo con esta invencion preferiblemente se consume completamente en combustion con el combustible, antes de que el oxfgeno tenga una oportunidad de llegar a combinarse con el aire de combustion secundario y terciario antes o inmediatamente despues de que sea suministrado dentro del dispositivo de combustion 1, especialmente cuando no se usa aire sobre fuego. Alternativamente, aun en referencia a la Figura 2, el combustible se podna suministrar por el conducto anular 4, y el oxfgeno suministrado por la lanza 5 rodeada por el conducto anular 4 o el oxfgeno se podna suministrar por el conducto 11 que rodea el conducto anular 4.

Los quemadores de bajo NOx preferidos tienen conductos de aire primario (suministro de combustible), secundario y terciario para la buena adaptabilidad aerodinamica. Sin embargo, se pueden usar otros disenos de quemador de bajo NOx usando solamente suministros de aire primario y secundario. Una vez que se hayan determinado los ajustes optimos con los tres conductos, los alabes de turbina de aire secundario y el conducto pueden estar disenados para crear aproximadamente las mismas caractensticas de mezcla aerodinamicas que con el diseno de

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tres conductos. Alternativamente, se pueden usar quemadores con un conducto adicional (cuaternario) (tal como el quemador RSFC™ descrito en el documento de Patente U.S. 5.960.724).

Antes de que un dispositivo de combustion sea actualizado de acuerdo con la presente invencion para reducir la formacion de NOx formado en el funcionamiento del dispositivo de combustion, la lanza 5 para el suministro de oxfgeno ya no esta presente. La combustion se lleva a cabo entre el combustible de hidrocarburo y el oxfgeno en el aire de combustion, dando como resultado la formacion de una llama 6. La region 8 de la llama mas cercana al extremo del quemador 3, es decir, donde el combustible de hidrocarburo emerge del quemador, es la zona rica en combustible. El area de la llama 6 alrededor de su periferia es relativamente pobre, ya que el aire de combustion secundario y terciario no se han mezclado o reaccionado completamente con el combustible. Cuando se reduce la cantidad de aire de combustion 22 a quemador 3 y se suministra una cantidad suficiente de aire desde el puerto de aire sobre fuego 7 para el escalonamiento de la combustion global, la zona inferior entera del horno, o zona de combustion primaria (PCZ) 10, por debajo del puerto de aire sobre fuego 7 llega a ser rica en combustible, excepto las areas cerca de los quemadores 3 donde el aire se inyecta y aun no se mezcla o reacciona completamente con el combustible.

A continuacion, en la implementacion de la presente invencion, se anade la lanza 5. Alternativamente, se reemplaza un quemador que suministra combustible y aire de combustion con un quemador que funciona tal como se muestra en las Figuras.

Preferiblemente, el aire tambien se suministra a traves de la abertura del puerto de fuego sobre aire 7 en el interior del dispositivo de combustion 1, para hacer la zona de combustion primaria 10 menos pobre en combustible o mas rica en combustible y para proporcionar oxfgeno adicional que ayude a conseguir la combustion completa del combustible en la zona quemado exhaustivo 9. El oxfgeno en el aire de combustion suministrado a traves del quemador 3, combinado con el oxfgeno contenido en el aire suministrado en la abertura 7, si se usa, son suficientes para posibilitar la combustion completa del combustible, y generalmente contienen 10 a 25 por ciento de volumen en exceso de oxfgeno sobre la cantidad requerida para la combustion completa del combustible.

Preferiblemente, el aire de combustion secundario y terciario se suministra en el quemador 3 para producir turbulencia aproximadamente un eje longitudinal, creando de ese modo una zona de recirculacion cerca de cada quemador y mejorando la combinacion de aire y combustible. La turbulencia se puede conseguir mediante tecnicas conocidas, tal como proporcionar deflectores, 13 y 14, en los conductos anulares para flujo de aire secundario y terciario del quemador que dirige el flujo de las corrientes en la direccion de turbulencia deseada. Se prefiere proporcionar un alto grado de turbulencia, preferiblemente un numero de torbellino, tal como el definido en “Combustion Aerodynamics”, J.M. Beer and N.A. Chigier, Robert E. Krieger Publishing Company, Inc., 1983, de 0,6 a 2,0.

En la practica de esta invencion con aire sobre fuego, se prefiere que la cantidad total de aire suministrado a traves del quemador 3, es decir, la suma de aire primario, secundario y terciario, este entre 60 y 99% del requerimiento de aire estequiometrico para la combustion completa. Lo mas preferiblemente es que la cantidad total de aire suministrado a traves del quemador 3 dentro de la zona de combustion primaria sea aproximadamente 70 a 85% del requerimiento de aire estequiometrico para la combustion completa.

La velocidad de cada corriente de aire de combustion primaria, secundaria y terciaria es preferiblemente de 15,2 a 45,7 m/s (50 a 150 pies por segundo) en la salida de la boquilla a partir de la que emerge el aire. La velocidad del oxfgeno inyectado a traves de la lanza 5, en la salida de la boquilla a partir de la que emerge el oxfgeno, esta preferiblemente dentro del 10% al 900%, mas preferiblemente dentro del 25% al 400% de la velocidad del aire primario.

Los ensayos han sugerido que un planteamiento preferido es exponer al menos algunas de las partfculas de combustible o gotitas a una alta concentracion de oxfgeno en lugar de enriquecer uniformemente el aire de combustion total. El planteamiento sencillo de inyectar oxfgeno dentro de la caja de viento 21 de un quemador de bajo NOx de modo que el aire enriquecido se suministre al quemador entero, incluyendo el aire de la etapa primaria cntica, no se considera eficaz.

Cuando el oxfgeno puro se mezcla previamente o se mezcla rapidamente en la corriente de transporte de carbon (corriente de aire primario) usando el 20% de aire estequiometrico y la relacion estequiometrica de combustion total se mantiene constante a 1,15 mediante la extraccion de la cantidad estequiometricamente equivalente de aire desde o bien el aire secundario o el terciario (*), se calculan las siguientes concentraciones promedio de oxfgeno en la corriente de aire de transporte y en el aire de combustion total, asumiendo que el aire es seco y contiene 21% de O2.

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% de aire estequiometrico reemplazado con O2 (*)

Concentracion de O2 en aire de transporte (% vol) Concentracion de O2 promedio en aire de combustion total (% vol)

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34,7 24,3

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37,4 25,4

(* por ejemplo, 0,142 m3 (5 cf) de aire reemplazado con 0,0297 m3 (1,05 cf) de O2 puro para dar la misma cantidad de O2)

En este ejemplo, debido a la pequena cantidad de oxfgeno usada, se consiguen solamente modestos incrementos en la concentracion de ox^geno de aire cuando se mezcla uniformemente incluso cuando se mezcla el ox^geno solamente con el aire de transporte. Un metodo preferido es inyectar oxfgeno dentro de la corriente de transporte carbon/aire en la punta de la boquilla de la lanza. En este caso algunas de las partfculas de carbon se mezclan con chorros de oxfgeno y crean localmente zonas de mezcla de alto O2 de carbon. Tales condiciones pueden proporcionar zonas de fuentes de ignicion rapida y facilitar ignicion temprana y desvolatilizacion en comparacion con el caso en el que el oxfgeno esta previamente mezclado con la corriente de aire de transporte.

Otro metodo preferido es inyectar oxfgeno desde el espacio anular interior o exterior adyacente a la corriente de carbon. En este caso se proporciona la condicion de combustion rica en oxfgeno favorable en el lfmite de las corrientes de carbon y oxfgeno.

Cuando el oxfgeno se inyecta por separado a alta velocidad paralelo a la corriente de combustible, como era el caso para Farmayan, et al., el(los) chorro(s) de oxfgeno se puede(n) diluir rapidamente con gases circundantes y se puede retardar su eficacia. Por tanto, el metodo de inyeccion de oxfgeno tiene que estar cuidadosamente disenado.

La presente invencion mejora, es decir, reduce, la formacion de NOx en el dispositivo de combustion mediante el suministro de oxfgeno dentro de la corriente de combustible de hidrocarburo entrante tal como se ha descrito en la presente memoria. Mas espedficamente y preferiblemente, el oxfgeno se suministra como una corriente de oxfgeno concentrado que comprende preferiblemente al menos 50% en volumen de O2, mas preferiblemente al menos 80% en volumen de O2, lo mas preferiblemente al menos 90% en volumen de O2 y se suministra directamente dentro del combustible de hidrocarburo cuando emerge del quemador y entra en el interior 2 del dispositivo de combustion 1. Por tanto, al menos algunas de las partfculas del combustible solido, o las gotitas del combustible lfquido, como puede ser el caso, entran en el dispositivo de combustion y la zona rica en combustible de la llama 6, en una atmosfera gaseosa que contiene una alta concentracion de oxfgeno.

Cuando se usa aire sobre fuego para el escalonamiento de la combustion global, preferiblemente con quemadores de aire equipados con tres o cuatro conductos de aire separados, el oxfgeno se puede mezclar previamente con el aire primario o secundario o ambos, usando burbujeadores adecuados dentro de los conductos de gas en el quemador 3.

El oxfgeno preferiblemente se suministra por una lanza 5 o via de suministro similar que se puede abrir en el extremo que se abre dentro del dispositivo de combustion 1, o que se cierra en el extremo y tiene dos o mas aberturas en su periferia adyacente a ese extremo cerrado, de modo que los flujos de oxfgeno salen a traves de esas aberturas directamente dentro del combustible de hidrocarburo que entra en el dispositivo de combustion desde el quemador.

En referencia a las Figuras 7A y 7C, un horno de llama tangencial 1 comprende una serie de puertos para inyectar combustible, y puertos para inyectar aire de combustion, en el interior del horno. Generalmente los puertos de combustible y los puertos de aire de combustion se disponen en una fila vertical, alternando uno con otro, tal como se ilustra en las Figuras 7A y 7C en donde los puertos 31 para la inyeccion de combustible se alternan con los puertos 32 para la inyeccion de aire de combustion. El combustible entra en combustion en el interior del horno con el aire de combustion. El horno tambien esta equipado con puertos de aire sobre fuego 7.

La presente invencion se adapta facilmente a hornos que tienen este tipo de construccion, por ejemplo proporcionando una lanza 5 en uno o mas de los puertos de combustible y suministrando a continuacion oxidante en las cantidades requeridas tal como se ensena en la presente memoria en el combustible cuando emerge del quemador. Las lanzas de oxfgeno 5 tambien se pueden colocar en uno o mas de los puertos de aire de combustion

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o fuera de los puertos de aire y combustible, y el oxfgeno se inyecta desde la(las) lanza(s) hacia la corriente de combustible adyacente.

Las Figuras 3a a 3d muestran diversas configuraciones de lanza que se pueden emplear. Se pueden usar otras configuraciones de lanza. En la Figura 3a, la lanza 5 termina con un orificio sencillo 31 que preferiblemente esta orientado a lo largo del eje de la lanza.

En la Figura 3b, el extremo de la lanza 5 esta cerrado y se proporcionan dos o mas, preferiblemente dos a dieciseis, mas preferiblemente cuatro a ocho boquillas 32 a lo largo del penmetro de la lanza cerca del extremo caliente de la lanza para la inyeccion de oxfgeno radial. Mas de una fila de las boquillas radiales tambien se pueden proporcionar a lo largo del penmetro de la lanza cerca del extremo caliente. Una a cuatro o mas boquillas tambien se pueden proporcionar en el extremo final de esta lanza.

En la Figura 3c, se proporcionan dos o mas y preferiblemente dos a dieciseis, mas preferiblemente cuatro a ocho boquillas 32 radialmente cerca del extremo a contracorriente cerrado de la lanza 5, y se proporcionan dos o mas, preferiblemente dos a dieciseis, preferiblemente cuatro a ocho boquillas 33 cada una de las cuales forman un angulo mayor de 0 grados y menor de 90 grados al eje de la direccion del flujo de oxfgeno dentro de la lanza 5.

En la Figura 3d, se proporcionan dos o mas y preferiblemente dos a ocho boquillas 34 a lo largo del penmetro de la lanza 5 cerca del extremo caliente de la lanza 5, cada una de las cuales forma un angulo de 30 a 90 grados, preferiblemente un angulo de 30 a 60 grados, con respecto al inverso de la direccion de flujo del oxfgeno dentro de la lanza 5.

En estas y otras realizaciones de lanza las boquillas por el lateral de la lanza se pueden disponer sobre una o mas de una circunferencia.

El angulo optimo de la inyeccion de oxfgeno para el control de NOx depende del momentum tangencial y radial del aire circundante, la geometna del puerto del quemador y la naturaleza del patron de flujo de aire del quemador cerca de la lanza de oxfgeno. Por consiguiente, para mejores resultados en los quemadores que tienen bajo momentum de aire radial, el angulo optimo es de 90° o mayor desde el eje del quemador, mientras que para obtener mejores resultados en quemadores que tienen mayor momentum radial generalmente se requerira que el angulo se reduzca para evitar mezclar el oxfgeno con la corriente de aire. Con flujo de aire altamente radial el angulo optimo es de 15° o menor (en gran parte inyeccion axial). Para aquellos quemadores que usan tecnicas que crean un componente de flujo de aire fuerte en la direccion radial, tal como alta turbulencia con un puerto de quemador divergente superficial o deflectores de aire, boquillas de oxfgeno que estan principalmente en angulo en la direccion axial (angulo de menos de 30° desde el eje) son optimas. Para quemadores en los que el flujo de aire es predominantemente axial (es decir, el componente radial del flujo de aire es pequeno o no existente) se prefiere inyectar el oxfgeno en la direccion radial (angulos entre 45° y 135° desde el componente de flujo axial).

Cuando el oxfgeno se inyecta dentro del dispositivo de combustion 1 tal como se ha descrito en la presente memoria, el caudal del aire de combustion suministrado a traves del quemador 3 se reduce simultaneamente para mantener o reducir la relacion estequiometrica de la zona de combustion primaria. Cuando se usa aire sobre fuego, la relacion estequiometrica de la zona de combustion primaria con la inyeccion de oxfgeno esta preferiblemente entre 60 y 99%, mas preferiblemente entre 60 y 85%, lo mas preferiblemente entre 70 y 85%, del requerimiento de aire estequiometrico para la combustion completa. La cantidad de oxfgeno suministrado de esta manera debena ser suficiente para estabilizar una relacion estequiometrica en la zona rica en combustible 8 de la llama 6 que es de aproximadamente 0,85 y es preferiblemente mucho menor de 0,85, por ejemplo, 0,65 o menos. La cantidad de oxfgeno suministrado por la lrnea 5 debena ser menor de 20% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible. Preferiblemente, la cantidad corresponde a menos del 15% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible. Mas preferiblemente, la cantidad corresponde a menos del 10% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible. Lo mas preferiblemente, la cantidad corresponde a menos del 5% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible.

Al contrario que en la presente invencion, el documento de Patente U.S. N° 4.495.874 describe NO incrementado con 2% de enriquecimiento en oxfgeno, lo cual tal como se define en esa patente es equivalente a aproximadamente 13% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible. Tambien describe NO disminuido bruscamente a mayores enriquecimientos (enriquecimiento al 4%), lo cual tal como se define en esa patente es equivalente a aproximadamente 23% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible. La patente claramente no anticipa las conclusiones de la presente invencion de que una cantidad pequena de oxfgeno, es decir, menos del 20% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa del combustible, puede inesperadamente reducir las emisiones de NOx cuando se inyecta oxfgeno o aire enriquecido con oxfgeno en la zona rica en combustible de la zona de combustion primaria.

La emision de NOx depende fuertemente de las condiciones estequiometricas locales. Ya que la inyeccion de oxfgeno hace la condicion estequiometrica local mas pobre, uno tiene que considerar el cambio en las condiciones estequiometricas locales despues de la inyeccion de oxfgeno. Por ejemplo, la inyeccion de oxfgeno, equivalente al

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10% del aire estequiometrico, dentro de una zona localmente rica en combustible a una relacion estequiometrica de 0,4 (SR=0,4), sin cambiar el caudal del aire de combustion que es suministrado, alteraffa las condiciones estequiometricas locales a SR=0,5 y se esperaffa que disminuyese sustancialmente las emisiones de NOx. Sin embargo, esto es porque SR=0,4 es demasiado rico en combustible para la reduccion optima de NOx. Tal efecto es mucho mayor que el de “reemplazar el 10% de aire con oxfgeno” mientras se mantiene la condicion estequiometrica local constante a SR=0,4. Si se inyecta la misma cantidad de oxfgeno dentro de la zona de combustion rica en combustible, sin cambiar el caudal del aire de combustion, donde la condicion estequiometrica local es SR=0,95, se espera que se incremente bruscamente la emision de NOx cuando se incrementa la condicion estequiometrica local a SR=1,05.

Por tanto, generalmente se prefiere inyectar oxfgeno dentro del area mas rica de la llama. En un dispositivo de combustion usando quemadores aerodinamicamente escalonados, la relacion estequiometrica en la zona rica en combustible de la llama con inyeccion de oxfgeno esta entre 0,1 y 0,85, preferiblemente entre 0,4 y 0,75.

La inyeccion o mezcla de oxfgeno en el aire terciario y cuaternario, si se usa, debena evitarse en un quemador aerodinamicamente escalonado sin OFA. Esto es porque el aire terciario y el cuaternario se mezclan en el area relativamente pobre de una llama. Si el quemador de bajo NOx tiene solamente aire primario y secundario, se debena evitar la inyeccion o mezcla de oxfgeno en el aire secundario. En teona la optimizacion de la condicion estequiometrica local se puede hacer con cualquier aire que incluya oxidantes. Sin embargo, el oxfgeno es mas eficaz porque solamente se requiere un pequeno volumen y la condicion estequiometrica local se puede cambiar sin un gran impacto sobre las condiciones de mezcla aerodinamica total de la llama.

Otro requerimiento importante es que el enriquecimiento en oxfgeno tiene que hacerse de tal manera para preservar o aumentar el tamano ffsico de la zona rica en combustible (la “zona que forma N2”) de una llama aerodinamicamente escalonada. El metodo de inyeccion de oxfgeno y la consecuente reduccion de los flujos de aire en ciertos conductos de aire de un quemador influenciaran las condiciones de escalonamiento aerodinamico del quemador, y por lo tanto el tamano ffsico y las condiciones estequiometricas locales. Si el tamano de la zona rica en combustible se reduce y el tiempo de residencia del gas promedio en la zona rica en combustible se reduce como resultado de la inyeccion de oxfgeno, tal cambio podffa causar incrementos de NOx. Por ejemplo, inyeccion de oxfgeno a alta velocidad a traves de una lanza axial tal como la mostrada en la Figura 3a incrementara eficazmente el momentum axial de la corriente de carbon/aire circundante, lo cual de uno en uno puede aumentar la mezcla con aire secundario y terciario. Como resultado el tamano de la zona de reduccion de NOx rica en combustible de la llama se puede reducir y el NOx puede incrementar. Por otro lado cuando el flujo de oxfgeno se inyecta radialmente desde una lanza de oxfgeno axialmente localizada tal como la mostrada en la Figura 3b cerca de la punta del quemador, puede incrementar eficazmente la zona de recirculacion cerca del quemador y por lo tanto incrementar el tamano de la zona rica en combustible y promover mas la reduccion de NOx mediante enriquecimiento en oxfgeno. Los impactos complejos de la inyeccion de oxfgeno sobre las condiciones aerodinamicas del quemador tienen que ser evaluados cuidadosamente para que un quemador espedfico consiga la reduccion de NOx.

Sin intencion de estar obligado por cualquier explicacion particular de la realizacion inesperada de esta invencion, la realizacion del dispositivo de combustion operado de acuerdo con esta invencion es consistente con un mecanismo en el que el oxfgeno inyectado causa un incremento en la temperatura de esa porcion de la llama lo mas cerca al quemador, lo cual de uno en uno causa que lo componentes relativamente volatiles presentes en el combustible de hidrocarburo entren en la fase gaseosa desde el combustible y se sometan a reaccion parcial con el oxfgeno ambiente, creando de ese modo una atmosfera relativamente reductora que permite que las especies que contienen nitrogeno liberadas a partir del combustible de combustion se conviertan en nitrogeno molecular, es decir, N2, en lugar de convertirse en NOx y otros compuestos nitrogenados tales como HCN y NH3.

Generalmente, la temperatura de la zona rica en combustible en la que entran el combustible y el oxfgeno esta en el orden de 1.371 °C (2.500 °F) o superior. El suministro de oxfgeno de esta manera puede causar que la base de la llama 6 se dibuje mas cerca de la abertura del quemador 3, o incluso llegue a estar unida al quemador 3. Sin embargo, el suministro de oxfgeno de la manera descrita en la presente memoria dentro del combustible de hidrocarburo mientras emerge del quemador se desarrolla de la misma manera, incluso si la llama llega a estar unida al quemador. En un funcionamiento de estado constante, por ejemplo despues de que se haya actualizado un dispositivo de combustion de acuerdo con las instrucciones de la presente memoria, el funcionamiento del dispositivo de combustion continua sobre la base de que se suministre dentro del combustible menos del 20%, preferiblemente menos del 15%, mas preferiblemente menos del 10%, lo mas preferiblemente menos del 5%, de la cantidad estequiometrica de oxfgeno requerida para que la combustion completa del combustible, mientras se suministra el aire de combustion a traves del quemador en una cantidad menor que la que de otra manera seffa el caso, de manera que la cantidad total de oxfgeno suministrado dentro del dispositivo sea al menos la cantidad estequiometrica necesaria para la combustion completa del combustible.

El funcionamiento de un dispositivo de combustion, alimentado con combustible lfquido de hidrocarburo o combustible de hidrocarburo solido pulverulento, de acuerdo con las instrucciones en la presente memoria, se ha encontrado que produce sorprendente y significante reduccion en la cantidad de NOx formado por combustion en el dispositivo de combustion.

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Ejemplo 1

El oxfgeno se mezclo dentro del aire de combustion administrado a la primera etapa de un horno experimental de llama baja (“downfired”) auto-sostenido de 17 kW con 15,24 cm (6'') de diametro interno. El aire de combustion enriquecido con oxfgeno se suministro a un quemador de carbon pulverizado-aire no turbulento. Se uso carbon bituminoso A altamente volatil (Illinois N° 6). El oxfgeno se suministro a un mdice para reemplazar el 20% en volumen del aire de combustion, sobre una base equivalente de oxfgeno, administrado a la zona de combustion primaria (PCZ). Esto era equivalente a 10 a 20% del requerimiento de aire estequiometrico. Se inyecto “aire sobre fuego” dentro del horno aproximadamente 2,44 m (ocho pies) a contracorriente del frente del quemador, lo cual proporciono tiempo de residencia del gas de aproximadamente 1 segundo en la PCZ. Se inyecto suficiente aire sobre fuego para mantener la relacion estequiometrica total a aproximadamente 1,2. Aunque la temperatura en el punto de inyeccion de aire sobre fuego vario de acuerdo con la relacion estequiometrica de la zona de combustion primaria, se mantuvo como constante entre el aire (referencia) y los casos enriquecidos con oxfgeno. Tal como se puede ver en la Figura 4 la adicion de pequenas cantidades de oxfgeno redujo la emision de oxidos de nitrogeno cuando se opero la primera etapa a por debajo de una relacion estequiometrica de aproximadamente 0,9.

Ejemplo 2

Se prendio un quemador de carbon-aire de bajo NOx a aproximadamente 1,17 MW (4 MMBtu/h) en un horno de ensayo en lmea refractario con dimensiones internas de aproximadamente 1,097 m (3,6 pies) de ancho x 1,097 m (3,6 pies) de alto y 12,5 m (41 pies) de largo. Se localizaron un par de puertos de aire sobre fuego a aproximadamente 3,2 m (10,5 pies) a partir de la salida del quemador. El quemador es similar a uno mostrado en la Figura 2 y consiste en un conducto circular central y diversos conductos anulares para corrientes de carbon, aire, oxfgeno y gas natural. El conducto central o bien se uso para insertar una lanza de oxfgeno de 4,83 cm (1,9'') OD y 3,81 cm (1,5'') ID o se bloqueo para proporcionar un cuerpo romo para aumentar la recirculacion de gas para la estabilidad de la llama. Se inyectaron carbon y aire primario desde el primer conducto anular de 7,79 cm (3,068'') OD y 4,83 cm (1,9'') ID. Se uso el segundo conducto anular (10,23 cm (4,026'') OD y 8,89 cm (3,5'') ID) para inyectar o bien gas natural u oxfgeno. Se usaron los conductos anulares tercero (15,405 cm (6,065'') OD y 11,43 cm (4,5'') ID) y cuarto (20,27 cm (7,981'') OD y 16,83 cm (6,625'') ID) para los flujos de aire secundario y terciario y se equiparon con generadores de turbulencia variable para impartir flujos turbulentos. El quemador esta disenado para proporcionar una condicion de combustion aerodinamicamente escalonada. Las velocidades axiales del aire primario y aire secundario son similares para proporcionar una mezcla lenta del aire secundario con la corriente de carbon. El aire terciario tiene una velocidad significativamente mayor que la del aire secundario. Por tanto, el aire secundario proporciona un “tampon” para la mezcla entre el aire terciario y la corriente de carbon. Se crea una zona de combustion rica en combustible relativamente grande a lo largo del eje del quemador con mezcla relativamente gradual del aire secundario y terciario a lo largo del horno.

La Figura 5 muestra los resultados de las emisiones de NOx medidas bajo diferentes metodos de inyeccion de oxfgeno. Se inyecto oxfgeno puro a traves de una lanza cilmdrica localizada en el eje del quemador. Se usaron diferentes disenos de boquilla para inyectar oxfgeno y para mezclar con la corriente de carbon anular adyacente. La cantidad de oxfgeno inyectada oscilo entre 5 y 15% del oxfgeno estequiometrico. Cuando se inyecto el oxfgeno, se extrajo la cantidad estequiometricamente equivalente de aire de las corrientes de aire secundaria y terciaria para mantener la misma zona de combustion primaria y la relacion estequiometrica de combustion total (fijada en SR=1,15). El caudal de aire primario se mantuvo constante a aproximadamente SR=0,15. El aire sobre fuego para el escalonamiento de la combustion global se inyecto perpendicular al eje del horno desde dos boquillas de aire directamente opuestas.

Por debajo de una SR de la zona de combustion primaria (la relacion estequiometrica de la zona de combustion primaria) de aproximadamente 0,80, se obtuvo reduccion significante de NOx, en comparacion con la referencia de aire, a pesar del tipo de boquillas de oxfgeno usadas. A mayor SR (del Ingles “Stoiquiometric ratio”) del quemador las emisiones de NOx fueron mayores cuando se uso una boquilla de angulo opuesto, la cual tiene ocho agujeros de 0,635 cm (1/4 de pulgada) de diametro tal como se muestra en la Figura 3d (tambien referida en la presente memoria como boquilla Tipo B) y aproximadamente la misma o inferior con una boquilla del tipo mostrado en la Figura 3.c, la cual tiene ocho agujeros radiales de 0,635 cm (1/4 de pulgada) de diametro y cuatro agujeros de angulos delanteros de 0,635 cm (1/4 de pulgada) de diametro (tambien referida en la presente memoria como boquilla Tipo A), dependiendo de la cantidad de oxfgeno inyectado.

Los resultados observados se pueden explicar en terminos de los cambios causados mediante la inyeccion de oxfgeno en las condiciones de escalonamiento aerodinamico del quemador, es decir, el tamano ffsico de la zona rica en combustible y las condiciones estequiometricas locales. Cuando la zona de combustion primaria se somete profundamente a escalonamiento (SR menor del 0,8), un gran volumen del espacio de horno entre el quemador y el punto de inyeccion de aire escalonado se mantiene rico en combustible. Aunque la inyeccion de oxfgeno y la reduccion de los flujos de aire secundario y terciario cambiaran las condiciones estequiometricas locales cerca del quemador (y o bien incrementaran o disminuiran el volumen de la zona rica en combustible cerca del quemador), la mayona de la combustion primaria permanece rica en combustible. El efecto principal del oxfgeno es incrementar la temperatura y acelerar las cineticas de la reduccion de NOx en la mayona de la zona de combustion primaria.

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Puesto que se cambia un poco el volumen de la gran zona rica en combustible, se consigue significante reduccion de NOx relativamente independiente del tipo de boquilla de oxfgeno.

Mientras se reduce la cantidad de aire sobre fuego, el tamano de la zona rica en combustible se reduce progresivamente. A una SR=1,15 de quemador, no se usa escalonamiento de aire y se crea la zona rica en combustible unicamente mediante escalonamiento aerodinamico del quemador. La inyeccion de ox^geno afectara al patron de mezcla de los flujos de aire secundario y terciario con la corriente de carbon y el tamano de la zona rica en combustible podra cambiar significativamente. Si el tamano de la zona rica en combustible se reduce y el tiempo de residencia del gas promedio en la zona rica en combustible se reduce como resultado de la inyeccion de oxfgeno, tal cambio podra causar incrementos de NOx.

Las emisiones de NOx a SR=1,15, es decir, sin escalonamiento de aire, eran muy sensibles a los tipos de boquilla de O2 y la cantidad de oxfgeno usados. Los estudios CFD mostraron las siguientes condiciones de mezcla con una boquilla mostrada en la Figura 3b con ocho agujeros radiales de 0,635 cm (1/4 de pulgada). Los chorros de oxfgeno radiales penetran en la corriente de carbon anular durante una corta distancia y se mezclan rapidamente con la corriente de carbon circundante. La corriente de carbon anular fluye parcialmente entre los “dedos” de los chorros de oxfgeno y parcialmente se expande de manera radial. Como resultado, se incrementa el diametro de la zona de recirculacion cerca del quemador, causando que se expanda el tamano de la zona rica en combustible.

Con una boquilla de O2 Tipo B se cree que el angulo a favor de corriente de los chorros de oxfgeno han causado mezcla significante de la corriente primaria de carbon y la terciaria, dando como resultado el incremento de NOx. En general mayor flujo de O2 desde las boquillas radiales o radiales anguladas incrementa la velocidad del chorro de oxfgeno y causa mas mezcla. Por tanto, el tamano y el angulo de las boquillas de oxfgeno tienen que estar cuidadosamente disenadas para mezclar rapidamente oxfgeno en la corriente de carbon, incluso sin causar demasiada mezcla entre el aire terciario y la corriente de carbon.

Ejemplo 3

Se prendio un quemador de carbon-aire de bajo NOx comercial, el quemador RSFC™ descrito en el documento de Patente 5.960.724, a aproximadamente 7,03 MW (24 MMBtu/h) en un horno de ensayo en lmea refractario con dimensiones internas de aproximadamente 2,286 m (7,5 pies) de ancho x 2,286 m (7,5 pies) de alto y 10,36 m (34 pies) de largo. Uno o dos pares opuestos de los puertos de aire sobre fuego estaban localizados a aproximadamente 7,925 m (26 pies) a partir de la salida del quemador. El quemador consiste en un conducto circular central y diversos conductos anulares para las corrientes de carbon, aire, oxfgeno. El conducto central se uso para insertar una lanza de oxfgeno de 4,826 cm (1,9'') OD y 3,81 cm (1,5'') ID. Se inyectaron carbon y aire primario desde el primer conducto anular. Los conductos segundo, tercero y cuarto se usaron para los flujos de aire secundario, terciario y cuaternario y se equiparon con generadores de turbulencia variables para impartir flujos turbulentos. El quemador esta disenado para proporcionar una condicion de combustion aerodinamicamente escalonada. Se crea una zona de combustion rica en combustible relativamente grande a lo largo del eje del quemador con mezcla relativamente gradual de aire terciario y cuaternario a lo largo del horno.

Se inyecto oxfgeno a traves de una lanza circular localizada en el eje del quemador. Se uso el diseno de boquilla similar al mostrado en la Figura 3c, el cual tiene ocho agujeros radiales de 0,953 cm (3/8 de pulgada) de diametro y cuatro agujeros axialmente orientados de 0,953 cm (3/8 de pulgada) de diametro para inyectar oxfgeno y para mezclar con la corriente de carbon anular adyacente. La cantidad de oxfgeno inyectada oscilo entre 5 y 15% del oxfgeno estequiometrico. Cuando se inyecto oxfgeno, se extrajo la cantidad estequiometricamente equivalente de aire de las corrientes de aire secundario, terciario y cuaternario para mantener la misma zona de combustion primaria (SR=0,75) y la relacion estequiometrica de combustion total (SR=1,15). El caudal de aire primario se mantuvo constante a aproximadamente SR=0,20. El aire sobre fuego para el escalonamiento de la combustion global se inyecto perpendicular al eje del horno desde dos a cuatro puertos de aire directamente opuestos.

Los ajustes de los alabes de turbina ajustables para los flujos de aire secundario, terciario y cuaternario se optimizaron para dar las menores emisiones de NOx para la combustion solamente por aire y se usaron los mismos ajustes cuando se inyecto oxfgeno. La Figura 6 muestra los resultados de las emisiones de NOx como funcion de la inyeccion de oxfgeno, medidas bajo tres periodos de ensayo diferentes. Aunque las emisiones de NOx de referencia con aire variaban dependiendo de los periodos de ensayo, se consiguieron significantes reducciones de NOx mediante la presente invencion.

Aunque la presente invencion ha sido descrita con referencia principal a las calderas de pared tales como el tipo ilustrado en las Figuras 1 y 2, esta descripcion no intenta sugerir que la invencion esta limitada en aplicabilidad a ese tipo de sistema de combustion. La invencion es aplicable a otros sistemas en donde el combustible y el aire entran en combustion, incluyendo sin limitacion a los sistemas de llama tangencial del tipo descrito con respecto a las Figuras 7A-7C, y los sistemas de combustion se conocen en la tecnica como hornos “en ciclos”, en donde la zona de combustion primaria del horno incluye uno o mas anexos que tienen cada uno una pared cilmdrica, una pared de extremo cerrada, y un extremo abierto que se abre dentro de la camara principal del horno por una pared del horno, en donde se suministran el combustible, el aire de combustion y el oxidante (suministrados en las cantidades ensenadas en la presente memoria en el combustible) a traves de la pared cilmdrica y la pared del extremo dentro

del anexo en una direccion de modo que rotan alrededor del eje central de rotacion del anexo y entran en combustion para formar una llama y calor de combustion que se emiten por el extremo abierto dentro de la camara principal del horno.

Se pueden emplear otros tipos de quemadores ademas de aquellos ejemplificados en la presente memoria, tales 5 como los denominados quemadores de corriente dividida en donde la corriente del combustible se divide en una pluralidad de corrientes separadas unas de otras, e incluso divergen unas de otras, cuando el combustible entra en la camara de combustion. Con este tipo de quemador, el oxfgeno se suministra desde una correspondiente pluralidad de lanzas en cada corriente de combustible, o desde una lanza con una pluralidad de boquillas orientadas hacia cada corriente de combustible, y los requerimientos estequiometricos de oxfgeno se basan en las cantidades 10 totales de combustible y oxfgeno que se suministran.

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   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo de combustion que reduce la cantidad de NOx emitido que comprende:

   - proporcionar un dispositivo de combustion (1) que tiene una zona de combustion primaria (10) y una zona de quemado exhaustivo (9);

   - suministrar aire, y combustible no acuoso que contiene nitrogeno unido y se selecciona entre el grupo que consiste en lfquido de hidrocarburo atomizado y solidos de hidrocarburo pulverulento, a traves de un quemador (3) dentro de dicha zona de combustion primaria (10); y

   - hacer arder el combustible en una llama (6) en la zona de combustion primaria (10) que tiene una zona rica en combustible (8), mientras

   - se suministra oxfgeno como una corriente que contiene al menos 35% en volumen de O2 dentro de dicho combustible inyectandolo directamente dentro de dicho combustible en dicha zona de combustion primaria (10) cuando dicho combustible emerge de dicho quemador (3), de manera que el oxfgeno entra en combustion con dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8), en donde se suministra dicho oxfgeno dentro de dicho combustible en una cantidad de dicho oxfgeno que es menor del 20% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa de dicho combustible, y ajustar la cantidad de aire suministrado a traves de dicho quemador (3) de manera que la relacion estequiometrica en dicha zona de combustion primaria (10) esta entre 0,6 y 0,99,

   - y anadir aire dentro de dicha zona de quemado exhaustivo (9) desde una fuente (7) aparte de dicho quemador (3) en una cantidad que contiene suficiente oxfgeno para que la cantidad total de oxfgeno suministrado dentro de dicho dispositivo (1) sea al menos la cantidad estequiometrica necesaria para la combustion completa de dicho combustible, y hacer arder los combustibles residuales de dicha zona de combustion primaria (10) en dicha zona de quemado exhaustivo (9), caracterizado porque,

   - dicho oxfgeno se inyecta directamente dentro de dicho combustible a traves de una lanza (5) que tiene un extremo cerrado y que tiene al menos dos boquillas (34) proporcionadas a lo largo del penmetro de la lanza (5) cerca del extremo cerrado de la lanza (5), cada una de las cuales forma un angulo de 30 a 90 grados con respecto a la inversa de la direccion de flujo de oxfgeno dentro de la lanza (5).
2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 en donde se suministra una corriente de combustible a traves de dicho quemador (3) y el oxfgeno se suministra dentro de dicho combustible inyectandolo a traves de dicha lanza hueca (5), colocada en dicha corriente, dentro del combustible cuando el combustible emerge del quemador (3).
3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 en donde cualquier aire secundario y terciario suministrado por dicho quemador tiene un numero de torbellino de 0,6 a 2,0.
4. 4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la relacion estequiometrica en dicha zona de combustion primaria (10) esta entre 0,7 y 0,85.
5. 5. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 en donde la cantidad de dicho oxfgeno suministrado dentro de dicho combustible es menor del 10% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa de dicho combustible.
6. 6. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 en donde la cantidad de aire suministrado a traves de dicho quemador (3) se reduce mediante una cantidad que contiene suficiente oxfgeno para que la relacion estequiometrica de la zona de combustion primaria vane por no mas del 10% en comparacion con la relacion estequiometrica sin dicha adicion de oxfgeno.
7. 7. Un metodo de combustion que reduce la cantidad de NOx emitido, que comprende:

   - proporcionar un dispositivo de combustion (1);

   - suministrar aire, y combustible no acuoso que contiene nitrogeno unido y esta seleccionado entre el grupo que consiste en lfquido de hidrocarburo atomizado y solidos de hidrocarburo pulverulentos, a traves de un quemador aerodinamicamente escalonado (3) dentro de dicho dispositivo; y hacer arder dicho combustible en una llama (6) que contiene una zona rica en combustible (8), mientras que

   - se suministra oxfgeno como corriente que contiene al menos 35% en volumen de O2 dentro de dicho combustible inyectandolo directamente dentro de dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8) cuando dicho combustible emerge de dicho quemador (3), de manera que el oxfgeno entra en combustion con dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8), en donde dicho oxfgeno se suministra dentro de dicho combustible en una cantidad de dicho oxfgeno que es menor del 20% de la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa de dicho combustible, y ajustar la cantidad de aire suministrado a traves de dicho quemador (3) de manera que la relacion estequiometrica en dicha zona rica en combustible (8) esta entre 0,1 y 0,85, mientras que se mantiene y agranda el tamano de dicha zona rica en combustible (8) en comparacion con su tamano cuando

   la combustion se lleva a cabo en dicho dispositivo de combustion (1) sin dicha etapa de suministro de oxfgeno pero bajo por otro lado condiciones identicas, caracterizado porque,

   - dicho oxfgeno se inyecta directamente dentro de dicho combustible a traves de una lanza (5) que tiene un

   extremo cerrado y que tiene al menos dos boquillas (34) proporcionadas a lo largo del penmetro de la lanza (5) 5 cerca del extremo cerrado de la lanza (5), cada una de las cuales forma un angulo de 30 a 90 grados con respecto a la inversa de la direccion de flujo de oxfgeno dentro de la lanza (5).
8. 8. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7 en donde una corriente de combustible se suministra a traves de dicho quemador (3) y el oxfgeno se suministra dentro de dicho combustible inyectandolo a traves de dicha lanza hueca (5), colocada en dicha corriente, dentro del combustible cuando el combustible emerge del quemador (3).

   10 9. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7 en donde cualquier aire secundario y terciario suministrado a

   traves de dicho quemador tiene un numero de torbellino de 0,6 a 2,0.
9. 10. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7 en donde la relacion estequiometrica en dicha zona rica en combustible (8) esta entre 0,4 y 0,75.
10. 11. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7 en donde la cantidad de dicho oxfgeno es menor del 10% de 15 la cantidad estequiometrica requerida para la combustion completa de dicho combustible.
11. 12. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7 en donde la cantidad de aire suministrado a traves de dicho quemador (3) se reduce mediante una cantidad que contiene oxfgeno suficiente para que la relacion estequiometrica de la zona de combustion primaria vane mediante no mas del 10% en comparacion con la relacion estequiometrica sin dicha adicion de oxfgeno.

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