ES2620371T3 - Método y quemador para quemar con oxígeno - Google Patents
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Abstract
Método para la combustión de un combustible con un oxidante en forma de gas oxígeno en un horno de calentamiento, donde el combustible y el oxidante se suministran a una cabeza de quemador, donde el combustible y el oxidante, se inyectan, respectivamente, mediante la cabeza (1) del quemador, a través de, al menos, dos parejas de toberas (2, 3; 4, 5), donde una pareja está formada por una tobera de combustible independiente (3; 5) y una tobera de oxidante independiente (2; 4), donde las toberas (2 - 5) de las parejas se distribuyen uniformemente a lo largo y dentro del perímetro de una superficie (15) de la cabeza del quemador orientada hacia el interior de un horno, en donde una tobera de combustible (3, 5) está provista con una tobera de oxidante (2, 4) a cada lado de la tobera de combustible (3, 5) , en donde la cabeza (1) del quemador está provista con una tobera (7) adicional, una tobera de puesta en marcha, colocada en o cerca del centro de la cabeza (1) del quemador, que descarga combustible y oxidante a través de canales concéntricos (8, 9), que operan dicha tobera (7) adicional hasta que el horno ha alcanzado la temperatura de autoignición del combustible y el oxidante, en donde dichas toberas (2, 3;4, 5;7) son las únicas toberas en la cabeza del quemador; caracterizado por que las toberas de oxidante (2, 3) y de combustible (3, 5) están dirigidas hacia delante y por suministrar el oxidante que es gaseoso y está provisto de un contenido de oxígeno del 80% en volumen o más, con una sobrepresión de al menos 1 bar.
Description
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DESCRIPCION
Metodo y quemador para quemar con ox^geno.
La presente invencion se refiere a un metodo para la combustion de oxfgeno, y mas exactamente para uso con hornos de calentamiento.
Normalmente, cuando se queman hidrocarburos en combinacion con gran contenido de oxfgeno, se alcanzan temperaturas de llama superiores a los 2000 °C y atmosferas de horno con presiones parciales muy altas de dioxido de carbono y vapor de agua. Esto da lugar a inconvenientes tales como gran contenido NOx y problemas de sobrecalentamiento local.
Hay un fuerte deseo de disenar quemadores que tengan propiedades de reduccion de emisiones.
En la patente sueca con el numero 0402223-2, se describe un metodo para quemar un combustible con un oxidante en un horno de calentamiento, donde el combustible y el oxidante se suministran a la cabeza del quemador. De acuerdo con la patente, el combustible y el oxidante se descargan, en una primera etapa, de la cabeza del quemador, cerca uno del otro, de manera que la combustion tiene lugar, esencialmente, proxima a, y hasta una cierta distancia de, la cabeza del quemador, hasta que se alcanza dentro del horno una temperatura que supera la temperatura de autoignicion del combustible, despues de lo cual el combustible y el oxidante, en una segunda etapa, en lugar de descargarse de la cabeza del quemador a una distancia entre sf, de manera que la combustion tenga lugar, esencialmente, a una distancia al menos tan grande de la cabeza del quemador como el diametro de la cabeza del quemador y por fuera del quemador.
De acuerdo con la patente, la idea es reducir el contenido de oxfgeno en la zona de combustion mediante separacion, alta presion y colocacion optimizada de las toberas, incluso aunque el oxidante tenga un contenido de oxfgeno superior al 80%. Esto se consigue mediante el uso de una configuracion de tobera que produzca un gran vado sobre las superficies de la tobera que no tienen toberas para el medio. Debido al vado, los gases de combustion son aspirados de la atmosfera del horno y se mezclan rapida y de forma turbulenta con el medio de salida. El medio mezcla, es decir, la atmosfera del horno, tiene normalmente un contenido de oxfgeno del 0,5-10%. El gas que queda es CO2y H2O y N2 en diferentes mezclas.
El documento EP1205710 A1 describe combinadas todas las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1.
El documento US 6.604.937 muestra un quemador en el que hay toberas de combustible y toberas de oxidante a lo largo de la periferia de la cabeza del quemador. En el centro de la cabeza del quemador hay toberas que inyectan un gas con lo que la presion es alta en el centro de la cabeza del quemador.
El documento US 4.797.087 muestra un quemador en el que se inyecta aire junto con combustible solamente en la parte central de la cabeza del quemador.
Dado que el CO2, H2O y N2 no toman parte activa en la combustion, estos compuestos actuan como un "freno de la combustion". La dilucion del oxfgeno y el combustible es muy extensa, alcanza normalmente tasas de oxfgeno durante la combustion del 7-15%, a pesar de utilizardel gas oxfgeno puro.
La presente invencion reduce ademas los valores NOx y proporciona incluso una temperatura de horno mas homogenea.
La invencion se lleva a cabo segun se describe en las reivindicaciones.
A continuacion, la invencion se describe con mas detalle, en parte en relacion con las formas de realizacion de un quemador para llevar a cabo el metodo de la invencion, descritas en los dibujos adjuntos, donde
- La figura 1 muestra una vista posterior de una cabeza de quemador de acuerdo con una primera forma de realizacion.
- La figura 2 muestra una vista frontal de un cabezal de quemador de acuerdo con la primera forma de realizacion.
- La figura 3 muestra una vista frontal de una cabeza de quemador de acuerdo con una segunda forma de realizacion.
Por lo tanto, la presente invencion se refiere a la combustion de un combustible con un oxidante en un horno de calentamiento, en el que el combustible y el oxidante se suministran a una cabeza de quemador. La cabeza del quemador esta asegurada en una pared del horno, de una manera conocida, de modo que la llama formada durante la combustion se despliegue dentro del horno.
La invencion se caracteriza por que el combustible y el oxidante, respectivamente, se inyectan, por medio de la cabeza 1 del quemador, a traves de al menos dos parejas de toberas 2, 3; 4, 5, donde una pareja esta formada por una tobera de combustible independiente y una tobera de oxidante independiente. Las toberas 2, 3; 4, 5 de las
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parejas estan uniformemente distribuidas a lo largo, y dentro, del penmetro 6 de la cabeza 1 del quemador. Ademas, la tobera de combustible esta provista de una tobera de oxidante en cada lado de la tobera de combustible, vease la figura 2.
En la figura 1, que es una seccion diagonal a lo largo de la lmea A - A de la figura 2 a traves de la cabeza del quemador, se muestran las aberturas de suministro 10, 11 para combustible, un conducto central de suministro 12 para combustible y uno 13 para oxidante. El numero 14 senala una brida para fijar la cabeza del quemador y el numero 15 senala la superficie de la cabeza del quemador orientada hacia el interior de un horno.
En la figura 3, se muestra una cabeza de quemador con tres parejas de toberas.
De acuerdo con una forma de realizacion de un quemador para llevar a cabo el metodo de la invencion, se proporcionan parejas de toberas de combustible y toberas de oxidante, en contraste con la forma de realizacion de acuerdo con la patente mencionada anteriormente, en la cual se inyecta combustible a traves de una tobera y el oxidante a traves de varias toberas.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida, las toberas de las parejas mencionadas se colocan a lo largo de dos diametros perpendiculares entre sf de la cabeza del quemador.
Sorprendentemente, resulto que mediante la inyeccion de la misma cantidad de combustible y oxidante a traves de varias parejas de toberas de combustible y de oxidante, en lugar de utilizar una tobera de combustible y varias toberas de oxidante, la produccion de NOx se reduce aun mas, al mismo tiempo que se reducen las concentraciones locales de calor y fno en el horno. La explicacion probable es que el emparejamiento de toberas da lugar a la formacion de varias zonas con fuerte turbulencia, en comparacion a si el combustible se inyecta a traves de una tobera solamente.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida, la cabeza del quemador se suministra con una tobera 7 adicional, una tobera de puesta en marcha, en donde el combustible y el oxidante son descargados a traves de canales concentricos 8, 9, cuyas toberas adicionales se operan hasta que la temperatura del horno haya alcanzado la temperatura de autoignicion para el combustible y el oxidante.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida, la tobera 7 de puesta en marcha se coloca en o cerca del centro de la cabeza 1 del quemador.
Una segunda etapa de combustion, concretamente durante la cual se inyecta combustible y oxidante a traves de las toberas emparejadas, puede iniciarse, de manera ventajosa, si la temperatura del horno es superior a aproximadamente 750 °C.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida, las aberturas de descarga 4, 5 son toberas laval o venturi.
La abertura senalada con 8 es para la supervision de la llama mediante deteccion con luz ultravioleta.
En la figura 3, se muestra una forma de realizacion con tres toberas 16, 17, 18 para combustible y tres toberas 19, 20, 21 para oxidante, por lo tanto tres parejas.
Por lo tanto, el quemador permite dos modos diferentes de funcionamiento, por una parte como un quemador de oxicombustible normal, por otra parte como un quemador cuyo funcionamiento da como resultado una llama con, en esencia, una temperatura maxima mas baja. La temperatura de llama mas baja esta adaptada para estar por debajo de la temperatura a la que la produccion de NOx esta limita por la cinetica de la reaccion, que es aproximadamente 1.550 °C.
Esto se consigue mediante el uso de la mencionada colocacion de las toberas emparejadas para el combustible y para el oxfgeno, mediante lo cual el combustible y el gas oxfgeno arden mas alejados de la cabeza del quemador en comparacion con el caso de la combustion convencional de oxicombustible.
Cuando se aplica la invencion, una combustion controlada aun difusa se consigue con temperaturas de proceso por encima de la temperatura de autoignicion, reduciendo, en esencia, la produccion de gases nitrosos, principalmente NO y NO2.
Como consecuencia, el combustible y el oxidante se mezclan con los gases de combustion del horno antes de que el combustible y el oxidante prendan entre sf. De un modo conocido de por sf, esto proporciona una llama 8 mas grande y mas fria, a pesar del coeficiente de utilizacion correspondiente a la combustion de acuerdo con la tecnica anterior. Convenientemente, las toberas se pueden dirigir hacia delante, es decir, no necesitan ser dirigidas hacia fuera o hacia sf, sino que pueden inclinarse hacia o alejarse del eje longitudinal de la cabeza del quemador.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida, el oxidante es gaseoso y esta provisto de un contenido de oxfgeno del 85% vol. o superior.
De acuerdo con una caractenstica principal, el oxidante se suministra al quemador con una presion de al menos 1 bar.
Una presion normal para aplicaciones normales es de 4-5 bares.
El combustible se inyecta a traves de toberas normales a la presion disponible.
5 Una tobera de quemador para llevar a cabo el metodo de la invencion no es mas grande que una cabeza de quemador conocida para combustion de oxicombustible. En una forma de realizacion preferida, el diametro es de aproximadamente 70 milfmetros.
La forma de realizacion compacta permite que la invencion se aplique a equipos ya presentes en las instalaciones del usuario. Ademas, el equipo puede colocarse dentro de una pequena camisa protectora enfriada por agua, para 10 su aplicacion a temperaturas de proceso muy altas.
De acuerdo con la invencion, las ventajas descritas anteriormente se consiguen con cualquier combustible, combustible solido, combustible gaseoso o combustible lfquido. El aparato para llevar a cabo el metodo de la invencion puede reemplazar sistemas de combustion existentes, en esencia, sin ninguna reconstruccion del equipo de horno utilizado en el proceso.
15 Tiene ventajas elegir el combustible entre el petroleo, el propano o el gas natural.
Dado que las toberas de oxidante y de combustible pueden dirigirse directamente hacia delante, se consigue una construccion que es barata, facil de mantener y posible de aplicar en los procesos existentes, sin otras medidas que el intercambio de la construccion de la tobera.
Anteriormente, se han descrito varias realizaciones. Sin embargo, el diseno de la cabeza del quemador puede 20 variarse, especialmente con respecto al numero de parejas de toberas de combustible y oxidante.
El metodo de la presente invencion puede modificarse dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (3)
- REIVINDICACIONES1. Metodo para la combustion de un combustible con un oxidante en forma de gas ox^geno en un horno de calentamiento, donde el combustible y el oxidante se suministran a una cabeza de quemador, donde el combustible y el oxidante, se inyectan, respectivamente, mediante la cabeza (1) del quemador, a traves de, al menos, dos5 parejas de toberas (2, 3; 4, 5), donde una pareja esta formada por una tobera de combustible independiente (3; 5) y una tobera de oxidante independiente (2; 4), donde las toberas (2 - 5) de las parejas se distribuyen uniformemente a lo largo y dentro del penmetro de una superficie (15) de la cabeza del quemador orientada hacia el interior de un horno, en donde una tobera de combustible (3, 5) esta provista con una tobera de oxidante (2, 4) a cada lado de la tobera de combustible (3, 5) , en donde la cabeza (1) del quemador esta provista con una tobera (7) adicional, una 10 tobera de puesta en marcha, colocada en o cerca del centro de la cabeza (1) del quemador, que descargacombustible y oxidante a traves de canales concentricos (8, 9), que operan dicha tobera (7) adicional hasta que el horno ha alcanzado la temperatura de autoignicion del combustible y el oxidante, en donde dichas toberas (2, 3;4, 5;7) son las unicas toberas en la cabeza del quemador; caracterizado por que las toberas de oxidante (2, 3) y de combustible (3, 5) estan dirigidas hacia delante y por suministrar el oxidante que es gaseoso y esta provisto de un 15 contenido de oxfgeno del 80% en volumen o mas, con una sobrepresion de al menos 1 bar.
- 2. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que las toberas (2 - 5) de las parejas estan situadas a lo largo de dos diametros perpendiculares entre sf de la cabeza (1) del quemador.
- 3. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el combustible se selecciona para ser aceite.20 4. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el combustible seselecciona para ser gas natural o propano.
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