ES2602608T3 - Sistema de horno con recirculación interna de gas de combustión - Google Patents

Sistema de horno con recirculación interna de gas de combustión Download PDF

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ES2602608T3 ES09764940.4T ES09764940T ES2602608T3 ES 2602608 T3 ES2602608 T3 ES 2602608T3 ES 09764940 T ES09764940 T ES 09764940T ES 2602608 T3 ES2602608 T3 ES 2602608T3
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Armand A. Levasseur
David G. Turek
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Abstract

Sistema de horno para quemar combustible y oxígeno, que comprende: un recipiente de combustión de combustible oxigenado (112) que recibe combustible y oxígeno para su combustión en el mismo, que tiene un extremo de salida (116) y al menos una abertura (120, 122), que se abre en una zona interior (114) definida por dicho recipiente de combustión de combustible oxigenado (112); una fuente de oxígeno (160) para suministrar una corriente de gas de oxígeno al recipiente de combustión de combustible oxigenado (112); un conducto de salida de humos (144) acoplado a dicho extremo de salida (116) y en comunicación fluídica con dicha zona interior (114); un intercambiador de calor (145) dispuesto en dicho conducto de salida de humos (144) para enfriar al menos un fluido que fluye a través de dicho conducto de salida de humos; comprendiendo el conducto de recirculación (155) un segundo conducto (152) y un colector (124), extendiéndose el segundo conducto (152) desde dicho conducto de salida de humos (144), en una posición aguas abajo de dicho intercambiador de calor (145), hasta dicha al menos una abertura (120, 122), y proporcionando comunicación fluídica entre dicho conducto de salida de humos (144) y dicha zona interior (114) para proporcionar un mayor caudal másico al recipiente de combustión de combustible oxigenado (112); y un medio de transporte (156) para provocar el flujo de al menos un fluido a través de dicho conducto de recirculación hacia dicha zona interior (114, 214), caracterizado por que un eyector (156) se coloca en el segundo conducto (152) para facilitar el flujo de uno o más fluidos hacia la zona interior (114) del recipiente de combustión (112) en respuesta a los comandos enviados desde un controlador (178), y por que la fuente de oxígeno (160) suministra oxígeno al eyector (156) a través de una tubería adecuada (162).

Description

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DESCRIPCION
Sistema de horno con recirculacion interna de gas de combustion Campo tecnico
La presente invencion se refiere en general a un sistema de horno de combustible fosil, y mas en concreto, a un sistema de horno de combustible oxigenado que tiene un sistema de recirculacion interna de gas de combustion.
Antecedentes
Los generadores de vapor, tambien conocidos como calderas u hornos, se utilizan en diversos sistemas. Por ejemplo, las calderas se pueden usar para producir vapor para su uso en turbinas electricas y en procesos qmmicos a fin de proporcionar energfa para iniciar una reaccion qmmica. El proceso de combustion empleado en calderas a menudo utiliza combustibles fosiles tales como carbon o petroleo. En general, durante el proceso de combustion, se generan contaminantes tales como combustible no quemado, partfculas, ceniza, NOx y otros subproductos de combustion. Si se permite que entren en la atmosfera en cantidades suficientes, estos contaminantes pueden afectar negativamente al ambiente y presentar riesgos para la salud a seres humanos y animales.
Del documento US 4.294.178 se conoce un horno que quema carbon pulverizado. Una parte del gas de combustion es recirculado de nuevo al horno para reducir la temperatura de combustion.
Del documento US 5.309,850 se conoce un sistema de combustion cerrado, que se utiliza para incinerar desechos peligrosos y ceniza vitrificada. Se proporciona un incinerador al que se le suministra oxfgeno puro, residuos peligrosos y combustible para incinerar los residuos peligrosos. El uso de oxfgeno puro da como resultado temperaturas de la llama mas elevadas que las de calderas de aire.
Breve resumen de la invencion
De acuerdo con aspectos ilustrados en el presente documento, se proporciona un sistema de horno que incluye un recipiente de combustion. Un conducto de salida de humos esta acoplado en un extremo de salida del recipiente de combustion y esta en comunicacion flmdica con una zona interior definida por el mismo. Un conducto de recirculacion tambien forma parte del sistema de horno y se extiende hacia fuera desde el conducto de salida de humos y proporciona comunicacion flmdica entre el conducto de salida de humos y la zona interior del recipiente de combustion.
De acuerdo con la invencion, como se define en la reivindicacion 1, un dispositivo de transporte esta dispuesto al menos parcialmente en el conducto de recirculacion para facilitar el flujo de uno o mas fluidos a traves del conducto de recirculacion a la zona interior del recipiente de combustion en respuesta a comandos enviados desde un controlador. El dispositivo de transporte es un eyector para transportar un fluido tal como, aunque sin limitarse a, oxfgeno, vapor, gas de combustion o combinaciones de los mismos, a la zona interior definida por el recipiente de combustion.
Lo descrito anteriormente y otras caractensticas se ilustran mediante las siguientes figuras y descripcion detallada. Breve descripcion de los dibujos
Con referencia ahora a las figuras que son realizaciones ejemplares y en las que los elementos similares se numeran de manera similar:
La figura 1 ilustra esquematicamente un sistema de horno de acuerdo con una realizacion que no esta cubierta por la presente invencion;
La figura 2 ilustra esquematicamente el sistema de horno de la figura 1 con un dispositivo de transporte de tipo eyector de acuerdo con la presente invencion;
La figura 3 ilustra esquematicamente una parte del sistema de horno de la figura 1 y muestra un dispositivo de transporte de tipo ventilador para transportar residuos peligrosos; y
La figura 4 es una vista en seccion transversal del sistema de horno de la figura 1 que muestra una configuracion de alimentacion tangencial.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
Como se muestra en la figura 1, un sistema de horno, generalmente indicado con el numero de referencia 10, incluye un recipiente de combustion 12 que define una zona interior 14. El recipiente de combustion 12 tambien
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define una tolva 18 en una parte inferior de un extremo 16 del mismo. Generalmente opuesto a la tolva 18, el recipiente de combustion 12 define un conducto 19 que durante el funcionamiento, transporta gases de combustion FG fuera del recipiente de combustion. En la realizacion ilustrada, el recipiente de combustion 12 tambien define una aberturas primera y una segunda 20 y 22, respectivamente, que se abren en la zona interior 14.
Aun con referencia a la figura 1, un colector 24 o caja de viento esta acoplado al recipiente de combustion 12 y esta en comunicacion flmdica con la zona interior 14. El colector 24 tiene una abertura orientada hacia dentro 26 y dos aberturas orientadas hacia fuera 28 y 30. En la realizacion ilustrada, el colector 24 envuelve una parte del recipiente de combustion 12. Partes del colector 24 estan situadas sobre al menos una de las aberturas primera y segunda, 20 y 22, respectivamente, de tal manera que una zona interior 34 definida por el colector esta en comunicacion flmdica con la zona interior 14 del recipiente de combustion 12.
La zona interior 14 del recipiente de combustion 12 esta tambien en comunicacion flmdica con el conducto de salida de humos 42 para facilitar el flujo de gas de combustion FG a traves del mismo. Del mismo modo, el conducto de salida de humos 44 esta en comunicacion flmdica con el conducto de salida de humos 42, asf como con una segunda seccion de tolva 46. Un primer intercambiador de calor, por ejemplo un economizador 45, esta situado en, y en comunicacion flmdica con, el conducto de salida de humos 44. Durante el funcionamiento, el economizador 45 enfna el gas de combustion FG que fluye a traves del mismo. Un segundo intercambiador de calor 50, tal como un precalentador de aire, esta situado aguas abajo del conducto de salida de humos 44, y en comunicacion flmdica con el mismo, a traves del conducto 48, en la realizacion ilustrada. Un segundo conducto 52 se extiende entre, y esta en comunicacion flmdica con, el conducto de salida de humos conducto 44 y el colector 24. El segundo conducto 52 se extiende desde el conducto de salida de humos 44 aguas abajo de una salida 47 del economizador 45.
Aunque el economizador 45 se describe como un posible medio de enfriamiento de gas de combustion FG, se pueden emplear otros medios de intercambio de calor, tales como, aunque sin limitarse a, paneles de vapor ultra cntico, medios de calentamiento de vapor, medios de produccion de vapor y combinaciones de los mismos sin apartarse de los aspectos mas generales descritos en este documento.
El segundo conducto 52 y el colector 24 cooperan para definir un conducto de recirculacion 55 que proporciona comunicacion flmdica entre el conducto de salida de humos 44 y la zona interior 14 del recipiente de combustion 12. El segundo conducto 52 se puede instalar durante la construccion inicial del sistema de horno 10 o se puede instalar durante una operacion de reconversion despues de la construccion inicial. El sistema de horno 10 tambien incluye un sistema de control de contaminacion 54 en comunicacion flmdica con el segundo intercambiador de calor 50, y situado aguas abajo del mismo.
El sistema de horno de la figura 2 es similar al ilustrado en la figura 1, por tanto, a los elementos similares se les asignan los mismos numeros, precedidos por el numero 1. Por tanto, el sistema de horno, generalmente indicado con el numero de referencia 110, incluye un recipiente de combustion 112 que define una zona interior 114. El recipiente de combustion 112 define unas aberturas primera y segunda 120 y 122, respectivamente, que se abren en la zona interior 114. Un colector 124 o caja de viento, esta acoplado al recipiente de combustion 112 y en comunicacion flmdica con la zona interior 114. El colector 124 esta situado sobre al menos una de las aberturas primera y segunda 120 y 122, respectivamente, de manera que una zona interior 134 definida por el colector esta en comunicacion flmdica con la zona interior 114 del recipiente de combustion 112.
La zona interior 114 del recipiente de combustion 112 esta en comunicacion flmdica con el conducto de salida de humos 142 para facilitar el flujo de gas de combustion FG a traves del mismo. Del mismo modo, el conducto de salida de humos 144 esta en comunicacion flmdica con el conducto de salida de humos 142. Un primer intercambiador de calor, por ejemplo un economizador 145, esta situado en, y en comunicacion flmdica con, el conducto de salida de humos 144. Un segundo conducto 152 se extiende entre, y esta en comunicacion flmdica con, el conducto de salida de humos 144 y el colector 124. El segundo conducto 152 se extiende desde el conducto de salida de humos 144 aguas abajo de una salida 147 del economizador 145. Un segundo intercambiador de calor 150, tal como un precalentador de aire, esta situado aguas debajo de, y en comunicacion flmdica con, el conducto de salida de humos 144 a traves, en la realizacion ilustrada, del conducto 148. El segundo conducto 152 y el colector 124 cooperan para definir un conducto de recirculacion 155 que proporciona comunicacion flmdica entre el conducto de salida de humos 144 y la zona interior 114 del recipiente de combustion 112. El sistema de horno 110 incluye ademas un sistema de control de contaminacion 154 en comunicacion flmdica con el segundo intercambiador de calor 150 y situado aguas abajo del mismo.
Todavfa con referencia a la figura 2, un eyector 156 esta situado en el segundo conducto 152 para facilitar el flujo de uno o mas fluidos a la zona interior 114 del recipiente de combustion 112 en respuesta a comandos, por ejemplo una senal de comando referente a la regulacion de temperatura de recipiente de combustion, produccion de vapor y/o medicion de parametros de vapor, enviada desde un controlador 178 tal como, aunque sin limitarse a, un ordenador o controlador logico programable. Un fluido motor, tal como oxfgeno, es suministrado a una parte 158, tal como una parte central, del eyector 156 a una presion predeterminada, por ejemplo de 34473,78 a 344737,86 N/m2 (entre 5 y 50 psig). Una corriente de aire indicada con la flecha A, fluye en una unidad de separacion de aire 160 que separa el nitrogeno del aire y suministra oxfgeno al eyector 156 a traves una tubena adecuada 162. El flujo de oxfgeno a
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presion en la parte central 158 del eyector, posiblemente mediante una boquilla, hace que gas de combustion FG sea arrastrado a una entrada 164 del eyector y descargado a traves de una salida 166 del eyector junto con el oxfgeno en la zona interior 134 del colector 124 y en la zona interior 114 del recipiente de combustion 1l2.
Aunque la unidad de separacion de aire 160 se muestra y describe suministrando oxfgeno al eyector 156, se considera que se pueden emplear otros medios para suministrar el oxfgeno que incluyen, aunque no se limitan a, fuentes de oxfgeno tales como tanques y/o cilindros de oxfgeno, ademas, o en lugar de la unidad de separacion de aire.
La recirculacion de una parte del gas de combustion FG en el recipiente de combustion 112 ayuda a regular las temperaturas del horno y las condiciones de vapor dentro de un rango predeterminado y permite un mayor caudal masico de gas a traves del recipiente de combustion. Ademas, la recirculacion del gas de combustion FG en el recipiente de combustion reduce la tasa de caudal masico total de gas de combustion que fluye aguas abajo del conducto de salida de humos 144. La introduccion de oxfgeno (o de cualquier fluido bajo en nitrogeno) en el recipiente de combustion 112 reduce contaminantes y la recirculacion de gas de combustion FG en el recipiente de combustion 112 reduce la tasa de caudal masico del gas de combustion FG a tratar por el sistema de control de contaminacion 154, de ese modo, se pueden emplear segundos intercambiadores de calor 150 y sistemas de control de contaminacion mas pequenos y menos costosos.
Aunque el oxfgeno se describe como el fluido motor para su uso en el eyector 156, se pueden emplear otros fluidos entre los que se incluyen, aunque sin limitarse a, vapor, gas de combustion, gas de combustion procesado por el sistema de control de contaminacion 154 o una combinacion de los mismos. Aunque el eyector 156 se muestra y se describe situado en el segundo conducto 152 para la descarga de oxfgeno y gas de combustion FG en el recipiente de combustion 112, se pueden emplear otros dispositivos para transportar el gas de combustion en el recipiente de combustion entre los que se incluyen, aunque sin limitarse a, un compresor, un ventilador o un soplador, como se ilustra en la figura 3 y se describe mas adelante. Aunque el eyector 156 se muestra y se describe situado en el segundo conducto 152, se considera que partes del eyector pueden extenderse fuera del segundo conducto, por ejemplo en el colector 124, en el conducto de salida de humos 144 y/o sobresalir en una zona externa 159 fuera del segundo conducto.
El sistema de horno de la figura 3 es similar al ilustrado en la figura 1, por tanto, a los elementos similares se asignan los mismos numeros precedidos por el numero 2. Como se ilustra en la figura 3, el sistema de horno 210 incluye un ventilador 270 dispuesto en el segundo conducto 252 para transportar gas de combustion FG desde el conducto de salida de humos 244 a la zona interior 214 del recipiente de combustion 212. El ventilador 270 esta acoplado a una unidad de accionamiento (no mostrada) que acciona el ventilador en respuesta a una senal de comando, por ejemplo una senal de comando referente a la regulacion de temperatura de recipiente de combustion, a la produccion de vapor y/o a la medicion de parametros de vapor, enviada por un controlador 278 tal como, aunque sin limitarse a, un ordenador o controlador logico programable.
Aunque se muestra y se describe un ventilador 270 para transportar gas de combustion FG desde el conducto 244 al recipiente de combustion 212, se pueden emplear otros dispositivos tales como, aunque sin limitarse a, sopladores y compresores sin apartarse de los aspectos mas amplios dados a conocer en el presente documento. Aunque el ventilador 270 se muestra y se describe situado en el segundo conducto 252, se considera que partes del ventilador y/o de la unidad de accionamiento pueden extenderse fuera del segundo conducto, por ejemplo en el colector 224, en el conducto de salida de humos 144 y/o sobresalir en la zona exterior 159 fuera del segundo conducto.
El sistema de horno de la figura 4 es similar al ilustrado en la figura 1, por tanto, a los elementos similares se asignan los mismos numeros precedidos por el numero 3. Con referencia a la figura 4, un horno de alimentacion tangencial 310 incluye un recipiente de combustion 312 que tiene una zona interior 314. El recipiente de combustion 312 se ilustra con cuatro aberturas 320, 321, 322 y 323 que se extienden a traves del mismo. Una lanza 380, 381, 382 y 383 esta situada en aberturas correspondientes de las aberturas 320, 321, 322 y 323 y orientada en un angulo predeterminado T medido desde partes adyacentes correspondientes del recipiente de combustion 312. El angulo T tiene una magnitud adecuada, por ejemplo un angulo agudo, para hacer que un fluido, tal como oxfgeno, y combustible fluyan a traves de la lanza para girar en la zona interior 314, como se muestra con las flechas R. Las lanzas 380, 381, 382 y 383 se extienden en la zona interior 336 de la camara de combustion 312 para un mejor control del proceso de combustion. Aunque las lanzas 380, 381, 382 y 383 se muestran y se describen situadas en aberturas correspondientes de las aberturas 320, 321, 322 y 323 y orientadas en un angulo predeterminado T medido desde partes adyacentes correspondientes del recipiente de combustion 312, se considera que las boquillas pueden ser sustituidas por, o colocadas en, un extremo distal de las lanzas.
Con referencia de nuevo a la figura 2, durante el funcionamiento, combustible F, tal como carbon pulverizado, es transportado a la zona interior 134 del colector 124 a traves de la abertura 128 y a la zona interior 114 del recipiente de combustion 112 para que se inicie la combustion. El combustible F puede ser soplado en el colector 24 junto con un fluido de combustion tal como oxfgeno. Como resultado de la combustion, sale gas de combustion Fg por el extremo de conducto 119 del recipiente de combustion 112 y fluye a traves conductos de la salida de humos 142 y 144, respectivamente, al segundo intercambiador de calor 150 y a la unidad de control de contaminacion 154 para
su procesamiento. Una parte del gas de combustion FG es recirculado al recipiente de combustion 112 a traves del segundo conducto 152 mediante la operacion del eyector 156. El eyector 156 funciona en respuesta a una senal de comando, por ejemplo una senal de comando referente a la regulacion de temperatura de recipiente de combustion, a la produccion de vapor y/o a la medicion de parametros de vapor, generada desde el controlador 178. El 5 funcionamiento de los eyectores 156 hace que fluya oxfgeno a presion a traves del eyector y de ese modo arrastre gas de combustion desde el conducto de salida de humos 144. El eyector 156 descarga el oxfgeno y el gas de combustion FG en la zona interior 134 del colector 124 y en la zona interior 114 del recipiente de combustion 112. El oxfgeno es suministrado al eyector 156 por la unidad de separacion de aire 160.
Aunque la invencion se ha descrito con referencia a diversas realizaciones ejemplares, los expertos en la tecnica 10 entenderan que se pueden hacer varios cambios y que se pueden sustituir equivalentes por elementos de los mismos sin apartarse del ambito de aplicacion de la invencion. Ademas, pueden realizarse muchas modificaciones para adaptar una situacion o material particular a las ensenanzas de la invencion sin apartarse del ambito de aplicacion esencial de la misma. Por tanto, se pretende que la invencion no se limite a la realizacion particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo esta invencion, sino que la invencion incluira todas las 15 realizaciones que esten dentro del ambito de aplicacion de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de horno para quemar combustible y oxfgeno, que comprende:
    un recipiente de combustion de combustible oxigenado (112) que recibe combustible y oxfgeno para su combustion en el mismo, que tiene un extremo de salida (116) y al menos una abertura (120, 122), que se abre en una zona interior (114) definida por dicho recipiente de combustion de combustible oxigenado (112);
    una fuente de oxfgeno (160) para suministrar una corriente de gas de oxfgeno al recipiente de combustion de combustible oxigenado (112);
    un conducto de salida de humos (144) acoplado a dicho extremo de salida (116) y en comunicacion flmdica con dicha zona interior (114);
    un intercambiador de calor (145) dispuesto en dicho conducto de salida de humos (144) para enfriar al menos un fluido que fluye a traves de dicho conducto de salida de humos;
    comprendiendo el conducto de recirculacion (155) un segundo conducto (152) y un colector (124), extendiendose el segundo conducto (152) desde dicho conducto de salida de humos (144), en una posicion aguas abajo de dicho intercambiador de calor (145), hasta dicha al menos una abertura (120, 122), y proporcionando comunicacion flmdica entre dicho conducto de salida de humos (144) y dicha zona interior (114) para proporcionar un mayor caudal masico al recipiente de combustion de combustible oxigenado (112); y
    un medio de transporte (156) para provocar el flujo de al menos un fluido a traves de dicho conducto de recirculacion hacia dicha zona interior (114, 214), caracterizado por que
    un eyector (156) se coloca en el segundo conducto (152) para facilitar el flujo de uno o mas fluidos hacia la zona interior (114) del recipiente de combustion (112) en respuesta a los comandos enviados desde un controlador (178), y por que la fuente de oxfgeno (160) suministra oxfgeno al eyector (156) a traves de una tubena adecuada (162).
  2. 2. Sistema de horno segun la reivindicacion 1, en el que el medio de transporte (156, 270) esta dispuesto al menos parcialmente en dicho conducto de recirculacion (155, 255).
  3. 3. Sistema de horno segun la reivindicacion 1 o 2, que comprende ademas un controlador (178, 278) que proporciona una senal de comando al medio de transporte, para controlar el flujo de al menos un fluido a traves de dicho conducto de recirculacion hacia dicha zona interior (114).
  4. 4. Sistema de horno segun las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho medio de transporte comprende al menos uno de un ventilador y un soplador y un compresor (270).
  5. 5. Sistema de horno segun las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho medio de transporte comprende el eyector (156) que tiene un fluido motor suministrado al mismo para transportar dicho al menos un fluido y dicho fluido motor a dicha zona interior (114, 214, 314).
  6. 6. Sistema de horno segun la reivindicacion 5, en el que dicho fluido motor es oxfgeno.
  7. 7. Sistema de horno segun la reivindicacion 5, en el que dicho fluido motor es vapor.
  8. 8. Sistema de horno segun la reivindicacion 5, en el que dicho fluido motor es gas de combustion.
  9. 9. Sistema de horno segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas:
    un sistema de control de contaminacion (154) en comunicacion flmdica con dicho conducto de salida de humos (144, 244) para procesar gas de combustion descargado de dicha zona interior (114, 214, 314);
    un segundo intercambiador de calor (150) en comunicacion flmdica con dicho conducto de salida de humos (144, 244); y en el que
    dicho conducto de recirculacion (155, 255) esta situado aguas arriba de al menos uno de dicho sistema de control de contaminacion (154) y dicho segundo intercambiador de calor (150).
  10. 10. Sistema de horno segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho al menos un fluido es gas de combustion.
  11. 11. Sistema de horno segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho sistema de horno (310) es de alimentacion tangencial para quemar un combustible en presencia de oxfgeno.
  12. 12. Sistema de horno segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de ox^geno es al menos una de una unidad de separacion de aire (160) y recipientes de oxfgeno.
  13. 13. Sistema de horno segun las reivindicaciones 11 o 12, en el que al menos una boquilla (380, 381, 382, 383) se extiende hacia dicha zona interior (314), teniendo dicha boquilla (380, 381, 382, 383) un paso que se extiende a
    5 traves de la misma para transportar una parte de dicho oxfgeno a traves de dicha boquilla (380, 381, 382, 383) a dicha zona interior (314).
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