ES2615363T3

ES2615363T3 - Sistema de combustión de oxi-combustible con control de temperatura de llama en bucle cerrado

Info

Publication number: ES2615363T3
Application number: ES10010895.0T
Authority: ES
Inventors: Dietrich M. Gross; Brian R. Patrick; Mark K. Schoenfield
Original assignee: Jupiter Oxygen Corp
Current assignee: Jupiter Oxygen Corp
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: EP2142855B1; CN101939589B; AU2008355964B2; ATE499572T1; EP2284443A3; PL2142855T3; CN101939589A; AU2008355964A1; EP2142855A4; JP2010521648A; US9353945B2; EP2284443A2; EP2142855A1; JP2011153819A; DK2142855T3; DE602008005125D1; PL2284443T3; WO2009136964A1; US20100062381A1; EP2284443B1

Abstract

Un método para optimizar la eficiencia de un proceso de combustión de oxi-combustible a diversos puntos de ajuste de temperatura seleccionables (50) para una caldera (10) que tiene al menos un quemador (14) para recibir oxígeno y un combustible fósil, comprendiendo el método las etapas de: (a) seleccionar la temperatura de una pared de agua (13) de la caldera (10) como la temperatura seleccionada; (b) medir la temperatura seleccionada para comparación con un punto de ajuste de dicha temperatura (50) seleccionada; (c) generar una señal de error (52) a partir de la diferencia entre dicha temperatura seleccionada medida y dicho punto de ajuste de temperatura (50) seleccionado, usando dicha señal de error (52) para generar una señal representativa de la demanda de transferencia de calor total (54), usando dicha señal de demanda de transferencia de calor total (54) para generar una señal de demanda de tasa de combustión (57), comparando dicha señal de demanda de tasa de combustión (57) con una señal de referencia de tasa de combustión (62) y generando una señal de error de tasa de combustión (66) basada en la diferencia entre estas dos señales, controlando la cantidad de combustible fósil suministrada a dicho al menos un quemador (14) como una función de dicha señal de error de tasa de combustión (66); (d) determinar dinámicamente la temperatura de la llama (83) de al menos un quemador (14) y generar una señal representativa de dicha temperatura de la llama (83) y generar una señal de error cuando dicha temperatura de llama se desvía de una temperatura máxima de llama para el punto de ajuste de temperatura (50) seleccionado; y (e) controlar dinámicamente el oxígeno suministrado (68) a cada quemador (14) como una función de dicha señal de error (88).

Description

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DESCRIPCION

Sistema de combustion de oxi-combustible con control de temperatura de llama en bucle cerrado Antecedentes de la invencion

1. Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un sistema de combustion de combustible de oxigeno (oxi-combustible) y mas particularmente a un sistema de combustion para combustibles fosiles que utiliza oxigeno para la combustion que incluye un control en bucle cerrado de la temperatura de la llama con el fin de maximizar la transferencia de calor de irradiacion de la combustion optimizando de esta manera la eficiencia del sistema de combustion manteniendo la temperatura de mantenimiento o de fusion de aluminio de diseno o la temperatura de proceso o de vapor y las temperaturas del material interior.

2. Descripcion de la tecnica anterior

Los sistemas de combustion para combustibles fosiles, es decir, combustibles basados en carbono, que utilizan oxigeno para la combustion en lugar de aire son relativamente bien conocidos en la tecnica. Los ejemplos de tales sistemas se desvelan en la publicacion de solicitud de patente internacional N.° WO 02/088400, asignada al mismo cesionario de la presente invencion, y la patente de EE.UU. N.° 6.398.547. Tales sistemas de combustion han llegado a conocerse como sistemas de combustion oxi-combustible y se usan en diversos procesos industriales, incluyendo la produccion de vapor en relacion con procesos de generacion de energia electrica y el fundido de aluminio, por ejemplo. Estos sistemas de combustion oxi-combustible se han desarrollado para superar diversas desventajas de los sistemas de combustion aire-combustible.

Por ejemplo, una desventaja principal de los sistemas de combustion aire-combustible es la produccion de gases de efecto invernadero, que se sabe que son daninos para el medio ambiente. En particular, el aire comprende aproximadamente el 79 % de nitrogeno y el 21 % de oxigeno. En dichos procesos de combustion con aire, NOx y otros gases de efecto invernadero, tales como dioxido de carbono CO2 y dioxido de azufre SO2 se producen como resultado del proceso de combustion.

Otra desventaja de tales procesos de combustion aire-combustible se refiere a la eficiencia de combustible. En tales procesos de combustion aire-combustible, se gasta una cantidad considerable de combustible para calentar el nitrogeno en la caldera o en el horno. Por ejemplo, considerando un proceso para la produccion de vapor, debe crearse suficiente calor en la caldera mediante el proceso de combustion para provocar que se transfiera una cantidad de energia suficiente al agua para que el agua se transforme en vapor. Debido a la vasta cantidad de nitrogeno en la caldera o en el horno, se gasta una cantidad considerable de calor y por lo tanto de combustible en el calentamiento del nitrogeno en la caldera o en el horno, que se procesa y se libera como perdida.

Tales sistemas de combustion oxi-combustible resuelven estos problemas y utilizan oxigeno relativamente puro con una pureza de aproximadamente del 85 % al 99 %+. Al usar oxigeno relativamente puro, la cantidad de gases de efecto invernadero se reduce y la eficiencia del combustible se mejora considerablemente. Debido a los costos de produccion relativamente altos para producir tal oxigeno relativamente puro, se han realizado intentos adicionales para aumentar adicionalmente la eficacia de dichos sistemas de combustion oxi-combustible. Por ejemplo, las patentes de EE.UU. N.° 5.545.031 y N.° 5.575.637 divulgan quemadores mejorados para su uso en sistemas de combustion oxi-combustible que estan configurados para proporcionar una superficie de llama relativamente mayor para mejorar la transferencia de calor radiante. Los sistemas desvelados en las patentes ‘031 y ‘637 se comportan bien a la hora de mejorar la transferencia de calor radiante en un proceso de combustion oxi-combustible y de esta manera mejoran la eficiencia de los procesos de combustion oxi-combustible. Sin embargo, las mejoras divulgadas en estas patentes implican variables fijas en el proceso de combustion, a saber la forma de la llama, y no tienen en cuenta otras variables, tales como la cantidad de combustible usada en el proceso de combustion.

Como tales, otros desarrollos se han concentrado en controlar la cantidad de combustible suministrado a los quemadores individuales con la caldera o el horno para diferentes relaciones estequiometricas. Mas particularmente, la patente de EE.UU. N.° 6.398.547 divulga un sistema de combustion oxi-combustible que incluye un sistema de control de quemador en el que el combustible de cada quemador individual oscila periodicamente entre un control de modo pobre en combustible y un modo rico en combustible sobre un intervalo relativamente amplio de relaciones estequiometricas. Al oscilar la cantidad de combustible proporcionada a los quemadores individuales, la cantidad de oxigeno y combustible en exceso en la caldera o en el horno puede ser controlada, para mejorar la eficiencia del proceso de combustion.

Aunque el sistema desvelado en la patente ‘547 mejora la eficiencia del uso de combustible en sistemas de combustion oxi-combustible, el sistema de control es fijo y esta basado en una forma de onda fija que se carga en el sistema antes del inicio del proceso de combustion. Sin embargo, tambien se sabe que las variables dinamicas en el proceso de combustion, tales como la temperatura de llama, afectan a la eficiencia del proceso de combustion oxi-

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combustible. En particular, se sabe que la temperatura de la llama es una funcion de la cantidad de ox^geno suministrada al quemador. Como se expone en la bibliografia, por ejemplo, “Spectrometer-Based Combustion Monitoring for Flame Stoichiometry and Temperature Control", por Carlos Romero, Xianchang Li, Shahla Keyvan y Rodney Rossow, Applied Thermal Engineering, Volumen 25, numeros 5-6, Abril 2005, Paginas 659-676, “un control global de la estequiometria de un horno (o caldera) no excluye un funcionamiento ineficaz de los quemadores individuales, debido a malas distribuciones locales de aire y combustible, o a un mal funcionamiento del hardware del quemador”. De esta manera, aunque se conocen calderas y hornos de oxi-combustible que se controlan desde un punto de vista estequiometrico hasta +/- el 5 %, la temperatura de la llama puede variar durante un ciclo de combustion debido a las razones expuestas anteriormente.

El documento WO 2006/054990 A1 desvela un metodo para optimizar la eficacia del proceso de combustion de oxi- combustible para una caldera que tiene al menos un quemador para recibir oxigeno y un combustible fosil, comprendiendo el metodo suministrar oxigeno a cada quemador en proporcion estequiometrica al combustible.

A partir del documento US 6 042 365 A se sabe mantener parametros de la llama, como la temperatura, a un valor deseado regulando la cantidad de oxigeno suministrada al quemador basandose en una desviacion de los valores medidos desde los valores deseados de los parametros.

De acuerdo con el documento GB 1 091 893 A, las temperaturas de los tubos metalicos de las supercalderas se miden y se comparan con un punto de valor de referencia. Una velocidad de suministro de combustible se deriva despues como una funcion de la diferencia entre estos valores. La senal de tasa de disparo se usa como un punto de referencia para los reguladores de velocidad del molino suministrador y para la valvula de control de la tuberia de suministro de combustible. En el caso de una tuberia de suministro de combustible, el valor de referencia se compara con una retroalimentacion desde un transductor de presion en la tuberia de combustible.

A partir del documento FR 1 343 944 se sabe que la temperatura de super calor de una caldera es un valor de entrada para determinar la carga de la caldera.

De esta manera, existe una necesidad de un sistema que sea sensible a los cambios en las variables dinamicas de combustion, tales como la temperatura de la llama, para mejorar la eficiencia del proceso de combustion.

Sumario de la invencion

La presente invencion se refiere a un sistema de control para un proceso de combustion oxi-combustible para su uso con una caldera o un horno que controla dinamicamente la temperatura de la llama de cada quemador implicado en el proceso de combustion para maximizar dinamicamente la temperatura de la llama. La caldera o el horno usados en conjuncion con el proceso de combustion de acuerdo con la presente invencion se configuran con una zona de calor radiante, es decir, linea de vision, y una zona de calor convectivo. Al maximizar dinamicamente la temperatura de la llama de los diversos quemadores dentro de la caldera o del horno, se optimiza la transferencia de calor radiante. Al optimizar la transferencia de calor radiante dentro de la caldera o del horno, se mejora significativamente la eficiencia de la caldera o del horno.

Descripcion de los dibujos

Estas y otras ventajas de la presente invencion se entenderan facilmente con referencia a la siguiente memoria descriptiva y a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es un diagrama fisico simplificado de una caldera para su uso con el proceso de combustion de acuerdo con la presente invencion.

La Figura 2 es una ilustracion grafica de la temperatura de la llama como un porcentaje de funcion de la transferencia de calor radiante.

Las Figuras 3 y 4 representan un diagrama de control de proceso para el sistema de control en bucle cerrado de acuerdo con la presente invencion.

La Figura 5 es una ilustracion de un quemador de gas a modo de ejemplo para su uso con la presente invencion. La Figura 6 es una ilustracion de un quemador de carbon pulverizado a modo de ejemplo para su uso con la presente invencion.

La Figura 7 es una ilustracion de un quemador de gas alternativo, para su uso con la presente invencion. Descripcion detallada

La presente invencion se refiere a un sistema de control para un proceso de combustion oxi-combustible que controla dinamicamente la temperatura de la llama de cada quemador implicado en el proceso de combustion para maximizar dinamicamente la temperatura de la llama manteniendo la temperatura de diseno, vapor o proceso y las temperaturas del material interior. Aunque el proceso de combustion de acuerdo con la presente invencion se describe en terminos de una caldera, los principios de la presente invencion pueden aplicarse igualmente a hornos, por ejemplo, para el procesamiento de aluminio mientras se mantenga la temperatura de mantenimiento o fusion de

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aluminio de diseno o las temperaturas de proceso o vapor y las temperaturas del material interno.

Como se analizara en mayor detalle a continuation, la caldera usada junto con con el proceso de combustion de acuerdo con la presente invention esta configurada con una zona de calor radiante, es dedr, linea de vision, y una zona de calor convectivo. Al maximizar dinamicamente la temperatura de la llama de los diversos quemadores dentro de la caldera, se optimiza la transferencia de calor radiante. Al optimizar la transferencia de calor radiante dentro de la caldera, se mejora considerablemente la eficiencia de la caldera.

Con referencia a la Figura 1, se ilustra una caldera a modo de ejemplo para su uso en conjuncion con el proceso de combustion segun la presente invencion. La caldera, identificada generalmente mediante el numero de referencia 10, incluye una serie de tubos 12 de agua, que conjuntamente forman una pared 13 de agua, tal como se muestra en la section de despiece en la Figura 1. La pared 13 de agua en la caldera 10 puede estar formada por una miriada de tubos 13a de agua que se extienden desde la zona 15 de quemador primario a las regiones superiores de la caldera 10.

La caldera 10 incluye ademas al menos un quemador 14 primario, localizado en la zona 15 de quemador primario, conectado a una fuente de combustible 16 y oxigeno 18. Como se usa en el presente documento, el termino “oxigeno sustancialmente puro” debe entenderse que significa el grado de pureza de oxigeno que se necesita para proporcionar la relation correcta de combustible y oxigeno para la combustion deseada y productos secundarios sin alejarse del novedoso alcance de la presente invencion, por ejemplo, oxigeno sustancialmente puro del 85 % al 99 % +.

La caldera 10 puede incluir ademas un super-calentador 20 y/o un re-calentador 21, de los tipos bien conocidos en la tecnica. Tales super-calentadores 20 se suministran generalmente con vapor que se ha producido en la caldera 10, en una zona 22 de transferencia de vapor. El vapor pasa al interior del super-calentador 20, y las corrientes de convection transportan calor o energia de la combustion, y el calor y la energia irradiados desde los tubos 13a de agua, sobre o alrededor del super-calentador 20, calentando el vapor transportado por los mismos. Los re- calentadores 21 se suministran normalmente con vapor que vuelve a la caldera desde una turbina, requiriendo ese vapor un calentamiento adicional antes de ser devuelto a la turbina para un uso adicional. Este calor o energia se transfiere al vapor, haciendo que su temperatura se eleve por encima del punto de saturation del vapor; haciendo que el vapor sea mas adecuado para su uso en las turbinas. Se entendera que pueden incluirse caracteristicas de refrigeration, tales como que el vapor que tenga una temperatura demasiado alta y/o demasiada energia para la tarea deseada pueda ser atenuado segun sea necesario.

La caldera 10 puede incluir un quemador secundario 24, colocado en localizaciones por encima de la zona 15 de quemador I de una caldera 10 y por debajo de la zona 22 de transferencia de vapor, por ejemplo, tal como se describe en la solicitud de patente de EE.UU. N.° US 2005/0072379 A1, asignada al mismo cesionario que la presente invencion. Al menos un quemador 24 secundario puede estar colocado en la zona 26 supercaliente. Los quemadores 24 secundarios pueden estar localizados tambien en numerosas localizaciones diferentes de la caldera 10.

La Figura 1 ilustra las zonas de calor radiante y convectivo para la caldera 10 para una caldera configurada sin ningun quemador secundario 16. Tal como se muestra, la zona de quemador 15 corresponde a una zona de calor radiante. En la medida en que la pared 13 de agua esta en la linea de vision de los quemadores 16, la zona radiante es esencialmente toda la transferencia de calor radiante. El area a la derecha de la zona radiante se identifica como la zona de transition. Se sabe que la zona de transition contiene tanto transferencia de calor radiante como convectiva. A la derecha de la zona de transicion, hay una zona de transferencia de calor convectivo. La zona de calor convectivo incluye basicamente toda la transferencia de calor convectivo.

Como se muestra en la Figura 2, el porcentaje de transferencia de calor radiante en relacion a la transferencia de calor total se muestra como una funcion de la transferencia de calor. El eje horizontal representa la temperatura de la llama en °C (°F). El eje vertical representa transferencia de calor radiante como un porcentaje de la transferencia de calor total. La curva ilustrada en la Figura 2 indica que la transferencia de calor radiante es proporcional a T4, donde T = la temperatura de la llama. Como se muestra, la transferencia de calor radiante aumenta con el aumento de la temperatura de la llama y se aproxima asintoticamente al 90 %+ a una temperatura maxima de la llama superior a 2760 °C (5000 °F). De esta manera, manteniendo dinamicamente la temperatura maxima de la llama, la transferencia de calor radiante se optimiza para un ciclo de combustion.

Se conocen diversas tecnicas para determinar la temperatura de la llama. Por ejemplo, la temperatura de la llama puede calcularse. En particular, para un proceso de combustion que tiene lugar adiabaticamente, la temperatura de los productos de reaction, en este caso el oxigeno relativamente puro y un combustible fosil, tal como, gas natural o carbon pulverizado, se denomina la temperatura adiabatica de la llama. Esta temperatura adiabatica es la maxima temperatura posible para los reactivos. La transferencia de calor, la combustion incompleta y la disociacion de los productos de reaccion pueden resultar todos en una temperatura mas baja. Tal como se conoce en la tecnica, la maxima temperatura adiabatica de la llama, para una combination determinada de combustible y oxidante, ocurre cuando los reactivos son mezclados en una relacion estequiometrica, es decir, proporciones correctas del

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combustible y el oxigeno de manera que todo el combustible y todo el oxidante se consumen totalmente durante la combustion. De esta manera, la maxima temperatura de la llama puede mantenerse manteniendo la relacion estequiometrica del combustible y el oxigeno.

Las ecuaciones a modo de ejemplo para determinar la relacion estequiometrica del oxigeno y del carbon pulverizado se proporcionan a continuacion. Las ecuaciones (1) y (2) son para la determinacion de la cantidad de oxigeno requerida para la combustion con carbon pulverizado a la relacion estequiometrica. La ecuacion (3) es para la determinacion de la cantidad de oxigeno requerida para la combustion con gas natural en la relacion estequiometrica.

(1) (tasa de alimentacion de carbon en kg/h (LB/h)) * (contenido de carbono en % en peso) * (1/12) * 32 = tasa de flujo de oxigeno en kg/h (lb/h)

Como alternativa, la Ecuacion (1) se expresa como se muestra a continuacion en la Ecuacion (2)

(2) (tasa de alimentacion de carbon en kg/h (LB/h)) * (contenido de carbono en % en peso) * (1/12) * 386,8 = tasa de flujo de oxigeno en 62,43 l/h (en SCFG @ 70 °F)

Las Ecuaciones (1) y (2) se usan para proporcionar una relacion estequiometrica sin dilucion del carbon pulverizado por el oxigeno u otro gas, tal como CO2 o N2.

Se conocen suministradores de correa tanto volumetricos como gravimetricos para carbon pulverizado. Cada tipo incluye un controlador de flujo de combustible total (no mostrado), por ejemplo, como se ilustra en "Steam: Its Generation and Use', por Stultz et al, edicion 40, publicado por la Babcock & Wilcox Company, Copyright 1992, paginas 12-3. La tasa de suministro de carbon puede medirse en el controlador de flujo de combustible total. Como alternativa, para los sistemas de carbon pulverizado de tipo volumetrico, puede derivarse facilmente una senal representativa del flujo de combustible. Mas particularmente, en tales sistemas de carbon pulverizado, de tipo volumetrico, el carbon pulverizado se impulsa por una bomba de husillo rotatorio, que, a su vez, se impulsa por un motor electrico. Las revoluciones del motor electrico son indicativas del volumen del carbon pulverizado. De esta manera, las revoluciones por minuto (RPM) del motor electrico pueden ser usadas para proporcionar una senal indicativa de la tasa de flujo de carbon pulverizado.

El contenido de carbono del carbon pulverizado es generalmente estable para un tipo particular de carbon. El contenido de carbono de un tipo particular de carbon se basa en un analisis del carbon particular, por ejemplo, mediante un ensayo convencional. La senal de tasa de flujo pulverizado y una senal representativa del contenido de carbono pueden aplicarse a una unidad de procesamiento de ordenador (CPU) o a un controlador programable para determinar la cantidad de oxigeno requerida para mantener la relacion estequiometrica del oxigeno y del combustible en tiempo real en respuesta a cambios en la tasa de flujo de carbon pulverizado debidos, por ejemplo, a cambios en las condiciones del proceso. Al mantener la relacion estequiometrica del carbon pulverizado y del oxigeno, el sistema es capaz de mantener dinamicamente la maxima temperatura de llama para un intervalo relativamente amplio de condiciones de proceso.

Para combustibles de gas natural, la relacion estequiometrica puede determinarse mediante la Ecuacion (3), despreciando los hidrocarburos que son normalmente relativamente bajos.

(3) l/h (SCFG) = 2 * (tasa de flujo de gas natural en l/h (SCFG)) * (1-(% de inertes en NG/100))

Los “inertes" se refieren a los gases inertes contenidos en el gas natural y se determinan mediante ensayos convencionales. En los sistemas de combustion oxi-combustible, que usan gas natural como combustible fosil, la tasa de flujo del gas natural se obtiene en una manera convencional. Las senales representativas de la tasa de flujo del gas natural y el % de inertes en el gas natural por 2831 m3 (100 pies cubicos) (“NG100”) pueden aplicarse a una CPU o a un controlador programable para determinar la cantidad de oxigeno requerida para mantener la relacion estequiometrica del oxigeno y el combustible en tiempo real en respuesta a cambios en la tasa de flujo del gas natural debidos, por ejemplo, a cambios en las condiciones del proceso. Al mantener la relacion estequiometrica del carbon pulverizado y el oxigeno, el sistema es capaz de mantener dinamicamente la maxima temperatura de llama, para un intervalo relativamente amplio de condiciones de proceso.

Con cualquier combustible, el sistema puede comprobar el nivel de oxigeno sin quemar en el gas de combustion para ajustar la tasa de flujo del oxigeno. El nivel de oxigeno sin quemar en el gas de combustion puede detectarse mediante un sensor de oxigeno convencional dispuesto en la corriente del gas de combustion.

Tambien se conoce que la temperatura de la llama puede medirse por medio de una radiacion de particulas de hollm. En particular, se conoce que los procesos de combustion resultan en la emision de particulas de hollm. La radiacion emitida por las particulas de hollm puede usarse como una medida de la temperatura adiabatica de la llama. Mas particularmente, como se expone en la patente de EE.UU. N.° 6.318.891, la radiacion quimioluminiscente emitida por la llama es detecta usando un sensor de fibra optica y un espectrografo. La temperatura adiabatica de la

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llama se determina a partir de la radiacion quimioluminiscente. Los procedimientos numericos para calcular la temperatura de la llama, basada en las mediciones de la intensidad espectral de la radiacion de la llama, se describen en detalle en "Stochastic Time Series Analysis of Pulsating Buoyant Pool Fires", por Kaushik Biswas, Yuan Zheng, Chul Han Kim y Jay Gore, Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007), publicado por Elsevier, Inc, Copyright 2006, paginas 2581-2588.

Un diagrama de control a modo de ejemplo que implementa la presente invencion se ilustra en las Figuras 3 y 4. La Figura 3 ilustra el bucle de control del sistema de combustion. La Figura 4 ilustra el bucle de control del sistema de caldera.

Con referencia primero a la Figura 3, como se indica mediante el bloque 50, el punto de ajuste de la temperatura diana primaria es el punto de ajuste de la temperatura de la pared de agua de la caldera. Otro punto de ajuste de temperatura primaria podria incluir la temperatura de la temperatura de super calentamiento (Figura 1) o diversos puntos de ajuste de temperatura primaria distintos. Estas temperaturas se miden, por ejemplo, mediante termopares dispuestos adyacentes a la temperatura diana. En el caso en el que la temperatura de super calentamiento sea la temperatura diana primaria, el termopar se dispone en la salida del super-calentador 20 (Figura 1) de una manera bien conocida.

La temperatura de la pared de agua 13 (Figura 1) se compara con un punto de ajuste. La temperatura medida se compara con el punto de ajuste de temperatura para la pared de agua 13. Si la temperatura medida difiere del punto de ajuste de temperatura, se genera una senal de error 52 (Figura 3). La senal de error 52 (diferencia) se usa para generar una senal representativa de la demanda de transferencia de calor total 54. En condiciones en estado estable, la senal de demanda de transferencia de calor total 54 se usa para generar una senal de demanda de tasa de combustion, que se usa para mantener la tasa de combustion de la caldera a un nivel predeterminado. Mas particularmente, la senal de demanda de tasa de combustion, disponible en la linea 57 se suministra a un controlador de tasa de combustion correlacionada 58. La tasa de combustion correlacionada, como se representa mediante la caja 58, es una senal representativa del incremento en la demanda de combustible del sistema de combustion, que, de acuerdo con la presente invencion, se recorta por la transferencia de calor radiante optimizada, que resulta en un aumento en la eficiencia y de esta manera en ahorros de combustible.

Durante las condiciones en estado estable, la senal de comando de tasa de combustion, disponible en la linea 57, se aplica al controlador de tasa de combustion 58 correlacionada a lo largo de la linea 60. Esta senal de demanda de tasa de combustion 57 se compara con una senal 62 de referencia de tasa de suministro de combustible, por ejemplo, una senal de referencia de velocidad del alimentador de carbon. Si la tasa de suministro de combustible, disponible desde la senal 62 de referencia de suministro de tasa de combustible, corresponde a la tasa de combustion actual, la senal 66 de error sera cero y la tasa de suministro de combustible actual se mantendra.

En caso de que la senal de demanda de tasa de combustion, disponible en la linea 57, indique una demanda adicional o reducida, se genera la senal 66 de error de tasa de combustion basada en la diferencia entre la senal 57 de demanda de tasa de combustion y la senal 62 de referencia de tasa de combustion de combustible, con el fin de ajustar el flujo actual de carbon u otro combustible, a la cantidad deseada. La senal de tasa de combustion correlacionada se aplica tambien a un controlador 68 de tasa de flujo de oxigeno, para controlar la tasa de flujo de oxigeno y la tasa de flujo de combustible, es decir, el pulverizador 70, por ejemplo. En este ejemplo, el pulverizador 70 genera su propia senal 64 de error, para correlacionar la tasa de flujo de carbon deseada con la tasa de flujo actual, determinada por factores en el pulverizador, tal como se conoce, en general, en la tecnica.

En aplicaciones de combustible solido, es decir, carbon, un controlador 72 primario de tasa de flujo de reciclado se usa para controlar la cantidad del gas de combustion reciclado que se necesita para impulsar el combustible solido a traves del pulverizador, por ejemplo, al quemador 14 (Figura 1). El gas de combustion reciclado esta disponible normalmente a partir de ventiladores primarios de suministro de gas de combustion. La salida del controlador 72 primario de tasa de flujo de reciclado se supervisa y se genera una senal de error 74 con el fin de mantener la velocidad de transporte y la tasa de flujo de combustible deseadas y para minimizar la cantidad de gas de combustion reciclado para mantener la maxima temperatura de llama.

El controlador de tasa de flujo de oxigeno 68 recibe una entrada desde el controlador de tasa de combustion correlacionada 58, que se fija a estequiometria ± 5 %. Un dispositivo de supervision de flujo (no mostrado) puede usarse para medir el flujo real de oxigeno y se genera una senal de error con el fin de mantener la cantidad apropiada de oxigeno.

Un almacenamiento temporal de oxigeno, como se indica mediante la caja 78, puede ser adecuado para dividir el oxigeno en caminos de flujo primario y secundario. Pueden usarse multiples caminos de flujo de oxigeno para cambiar la geometria de la llama, ajustar la estabilidad de la llama y minimizar las emisiones de NOx. Cada camino de flujo de oxigeno puede estar equipado con un dispositivo de supervision de flujo (no mostrado) que genera una senal de error 80, 82 que se usa a continuation para corregir la tasa de flujo real de los quemadores 14 (Figura 1) a la tasa de flujo deseada. Los quemadores 14 reciben entradas de flujo fisicas desde los caminos de oxigeno primario y secundario y la fuente de combustible; un pulverizador 70, en este ejemplo.

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Como se ha mencionado anteriormente, la temperatura de la llama, representada mediante la caja 83, puede calcularse mediante una computacion adiabatica basada en las entradas qmmicas del combustible, oxigeno y gas de combustion reciclado o, como alternativa, puede medirse mediante la radiacion de particulas de hollm. Puede generarse la senal 74 de error cuando se usan combustibles solidos, para ajustar la entrada del gas de combustion reciclado primario y oxigeno para mantener las temperaturas maximas de la llama. El exceso de oxigeno se supervisa tras la combustion, tal como se indica mediante la caja 84, y se genera una senal de error 86 al valor de referencia, por ejemplo, estequiometria ± 5 %. A continuacion, esta senal de error se retroalimenta en la tasa de flujo de oxigeno 68.

De acuerdo con un importante aspecto de la invencion, la maxima temperatura de la llama se mantiene mediante un control de bucle cerrado. Para calderas con multiples quemadores, esto se lleva a cabo quemador a quemador. En particular, en caso de que la temperatura 83 de llama, para cualquiera de los quemadores caiga por debajo de la maxima temperatura de llama esperada, se genera una senal de error 88 y la misma se retroalimenta al controlador de tasa de flujo de oxigeno 68. Cuando la temperatura 83 de llama cae por debajo de la temperatura maxima de llama, por ejemplo 2815,6 °C (5100°F), se aumenta la tasa de flujo de oxigeno. La temperatura maxima de llama esta predeterminada para diferentes niveles de pureza de oxigeno. La temperatura maxima predeterminada se compara con la senal de temperatura de la llama 83, tal como se ha indicado anteriormente, y se usa para generar la senal de error 88.

Con referencia a la Figura 4, se ilustra el bucle de control de la caldera. En general, la senal de demanda de la caldera, indicada en la linea 90 llega desde los controles de la estacion de energia. En este ejemplo, es una entrada de tasa de flujo de vapor deseada desde la caldera. El controlador de suministro de agua 92 se impulsa por la caldera maestra 90, para aumentar o disminuir o mantener el flujo de vapor. Por ejemplo, si la tasa de flujo del suministro de agua se aumenta, la temperatura en la caldera disminuira, aumentando, de esta manera, la necesidad de temperatura de super calentamiento aumentando de esta manera la demanda de combustible. El controlador de super calentamiento o control 94 primario se refiere al control de temperatura de bucle cerrado, ilustrado en la Figura

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El controlador de temperatura secundario o demanda de flujo reciclado 96, en este ejemplo, es para controlar la temperatura del vapor del re-calentador 21 (Figura 1). La temperatura del vapor re-calentado es un controlador de bucle cerrado para mantener la temperatura del vapor re-calentado a un valor de referencia. La demanda de flujo reciclado se refiere a gases de combustion reciclados para su uso con combustibles solidos, tales como carbon pulverizado. Esta demanda de flujo reciclado impulsa un controlador de flujo reciclado de CO2 98 usado para controlar la entrada de flujo de CO2 desde los ventiladores de gas de combustion CO2 reciclado. La salida del controlador de flujo reciclado 98 se usa para controlar la tasa de combustible del pulverizador 70 (Figura 1) y la tasa de flujo de gas de combustion reciclado 100 (gas de combustion reciclado para el control de temperatura secundario, en este ejemplo, re-calentado). El flujo se monitoriza y se genera una senal de error 102 y la tasa de flujo del gas de combustion reciclado se ajusta, segun sea necesario. Ademas, se deriva una senal de error 102 a partir de un punto de ajuste de temperatura secundaria, en este caso, una temperatura de re-calentamiento, y la cantidad de gas de combustion reciclado se ajusta a la demanda de gas de combustion reciclado 96.

El controlador de demanda total de flujo de gas 104 se usa para determinar la demanda total de flujo de gas. La salida del controlador de demanda total de flujo de gas 104 se usa para controlar los ventiladores de reciclaje de gas de combustion 106. Se genera una senal de error 108 basada en la diferencia entre la demanda y el flujo real de gas de combustion reciclado. A continuacion, la diferencia de demanda se saca al ventilador, para aumentar o disminuir o mantener el flujo de gas de combustion.

Pueden usarse diversos tipos de quemadores con la presente invencion. Por ejemplo, los quemadores 14 pueden disenarse con requerimientos especificos en relacion al dimensionado de los orificios y a las velocidades, para producir una llama con una forma y una geometria especificas. Por ejemplo, las patentes de EE.UU. N.° 5.545.031 y 5.575.637 divulgan quemadores a modo de ejemplo para su uso con la presente invencion para proporcionar formas de llama a modo de ejemplo.

Otros quemadores tambien son adecuados para su uso con la presente invencion. Por ejemplo, la Figura 7 ilustra un quemador de gas a modo de ejemplo. Las Figuras 8 y 9 ilustran quemadores a modo de ejemplo para gas y carbon, respectivamente, en los que la boquilla de entrada de oxigeno se configura de manera que el oxigeno se mezcla con el combustible en la punta del quemador, para prevenir un pre-encendido potencial del combustible fuera de la cavidad de combustion del horno.

Con referencia primero a la Figura 5, el quemador 150 incluye un cuerpo de boquilla de entrada principal 152 que se extiende al interior del horno 158. Una entrada de gas combustible 154 se extiende al interior del cuerpo 152 de entrada principal exterior a la pared 160 de horno. El oxigeno se introduce al cuerpo 152 de boquilla de entrada principal por medio de la boquilla 162 de oxigeno y se mezcla con el gas combustible. Un encendedor (no mostrado) se extiende a traves de una abertura 156 central en el cuerpo 152 de entrada principal, pasando justo la punta 164 del quemador. El encendedor proporciona una chispa para el encendido de la mezcla combustible/oxigeno en el

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45

horno 158.

La Figura 6 ilustra un quemador alternativo para su uso en aplicaciones con carbon pulverizado, identificado generalmente con el numero de referencia 170, incluye una boquilla 172 de ox^geno, y una boquilla 174 de combustible. En esta aplicacion, la boquilla 174 de combustible se usa para una mezcla de carbon pulverizado y un gas portador, por ejemplo, gas de combustion reciclado. Mas particularmente, el carbon pulverizado se mezcla con un gas portador, aguas abajo del quemador, para practicamente “fluidizar” el polvo de carbon pulverizado. A continuacion, el polvo de carbon fluidizado es aplicado a la boquilla de combustible 174.

Como se muestra en la Figura 6, la salida de la boquilla 172 de oxigeno y la boquilla 174 de combustible descargan conjuntamente al interior de una abertura 176 que define una camara en el cuerpo del quemador principal 178, donde el combustible y el oxigeno se mezclan y se encienden por un encendedor (no mostrado). Las salidas de la boquilla de oxigeno 172 y la boquilla de combustible 174 estan generalmente alineadas como se muestra y descargan, generalmente, en el mismo limite de la camara 176. Como tal, la camara 176 define una punta de quemador virtual donde el combustible y el oxigeno se mezclan y encienden.

El cuerpo de quemador principal 178 puede estar rodeado por una o mas aberturas para recibir las boquillas de salida de CO2 180 y 182. El CO2 puede usarse para templar o ajustar la cantidad de transferencia de calor en los pasos convectivos de la caldera, bajo ciertas condiciones. El CO2 puede requerirse en ciertas aplicaciones en las que las superficies de transferencia de calor de una caldera, en la seccion convectiva de una caldera, requieren una cierta cantidad o una cantidad predeterminada de flujo de gas convectivo sobre los tubos, para mantener las temperaturas de proceso correctas. Las boquillas de salida de CO2 180 y 182 estan en comunicacion fluida con una camara de CO2, que se suministra mediante una boquilla de entrada de CO2 186. Las boquillas de salida de CO2 180 y 182 descargan en el limite de la camara de combustion del horno, identificado mediante el numero de referencia 186.

La Figura 7 ilustra un quemador de gas natural alternativo, identificado, en general, mediante el numero de referencia, que incluye una boquilla de oxigeno 202 y una boquilla de combustible 204. En esta aplicacion, la boquilla de combustible 174 se usa para gas natural.

Como se muestra en la Figura 7, las salidas de la boquilla de oxigeno 202 y la boquilla de combustible 204 descargan conjuntamente al interior de una abertura 206 que define una camara en el cuerpo de quemador principal 208, donde el combustible y el oxigeno se mezclan y se encienden por un encendedor (no mostrado). Las salidas de la boquilla de oxigeno 202 y la boquilla de combustible 204 estan generalmente alineadas como se muestra y descargan generalmente en el mismo limite de la camara 206. Asi, la camara 206 define una punta de quemador virtual donde el combustible y el oxigeno se mezclan y encienden.

El cuerpo del quemador principal 208 puede incluir una o mas aberturas para recibir las boquillas de salida de CO2 210 y 212. Las boquillas de salida de CO2 210 y 212 estan en comunicacion fluida con una camara de CO2 214 que se suministra mediante una boquilla de entrada de CO2 216. Las boquillas de salida de CO2 210 y 212 descargan en el limite de la camara de combustion del horno, identificado mediante el numero de referencia 218.

Obviamente, son posibles muchas modificaciones y variaciones de la presente invencion a la luz de las ensenanzas anteriores. De esta manera, debe entenderse que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invencion puede practicarse de manera diferente a la descrita especificamente anteriormente.

Claims

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40

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50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Un metodo para optimizar la eficiencia de un proceso de combustion de oxi-combustible a diversos puntos de ajuste de temperatura seleccionables (50) para una caldera (10) que tiene al menos un quemador (14) para recibir oxigeno y un combustible fosil, comprendiendo el metodo las etapas de:

(a) seleccionar la temperatura de una pared de agua (13) de la caldera (10) como la temperatura seleccionada;

(b) medir la temperatura seleccionada para comparacion con un punto de ajuste de dicha temperatura (50) seleccionada;

(c) generar una senal de error (52) a partir de la diferencia entre dicha temperatura seleccionada medida y dicho punto de ajuste de temperatura (50) seleccionado, usando dicha senal de error (52) para generar una senal representativa de la demanda de transferencia de calor total (54), usando dicha senal de demanda de transferencia de calor total (54) para generar una senal de demanda de tasa de combustion (57), comparando dicha senal de demanda de tasa de combustion (57) con una senal de referencia de tasa de combustion (62) y generando una senal de error de tasa de combustion (66) basada en la diferencia entre estas dos senales, controlando la cantidad de combustible fosil suministrada a dicho al menos un quemador (14) como una funcion de dicha senal de error de tasa de combustion (66);

(d) determinar dinamicamente la temperatura de la llama (83) de al menos un quemador (14) y generar una senal representativa de dicha temperatura de la llama (83) y generar una senal de error cuando dicha temperatura de llama se desvia de una temperatura maxima de llama para el punto de ajuste de temperatura (50) seleccionado;

y

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) como una funcion de dicha senal de error (88).
2. El metodo como reza en la reivindicacion 1, que incluye ademas la etapa (f) que comprende:

(f) controlar el oxigeno suministrado (68) a dicho al menos un quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado, como una funcion de la relacion estequiometrica del oxigeno y del combustible.
3. El metodo como reza en la reivindicacion 2, en el que la etapa (e) comprende:

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado como una funcion de la tasa de suministro de combustible (62).
4. El metodo como reza en la reivindicacion 3, en el que la etapa (e) comprende:

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado como una funcion del contenido de carbono de dicho combustible.
5. El metodo como reza en la reivindicacion 3, en el que la etapa (e) comprende:

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado como una funcion de la tasa de suministro de carbon pulverizado suministrado a dicho quemador (14).
6. El metodo como reza en la reivindicacion 3, en el que la etapa (e) comprende:

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado como una funcion del contenido de carbono del carbon pulverizado suministrado a dicho quemador (14).
7. El metodo como reza en la reivindicacion 3, en el que la etapa (e) comprende:

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado como una funcion de la tasa de flujo de gas natural suministrado a dicho quemador (14).
8. El metodo como reza en la reivindicacion 3, en el que la etapa (e) comprende:

(e) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) se mantenga en un valor predeterminado como una funcion del contenido de carbono del gas natural suministrado a dicho quemador (14).
9. El metodo como reza en la reivindicacion 1, en el que la etapa (e) comprende:

(e) comprobar el oxigeno no quemado en el gas de combustion y ajustar la tasa de flujo del oxigeno suministrado (68) al horno, como una funcion de dicho ox^geno no quemado.

5
10. El metodo como reza en la reivindicacion 1, en el que la etapa (d) comprende determinar la temperatura de la llama (83) basada en la radiacion de particulas de hollm.
11. El metodo como reza en la reivindicacion 1, en el que la etapa (d) comprende:

10

(d) controlar dinamicamente el oxigeno suministrado (68) a cada quemador (14) de manera que la temperatura de la llama (83) sea un valor maximo predeterminado mediante un control de bucle cerrado.