ES2622713T3

ES2622713T3 - Recuperación energética de los humos de un horno de fusión con una turbina de gas e intercambiadores de calor

Info

Publication number: ES2622713T3
Application number: ES13815058.6T
Authority: ES
Inventors: Benoit Davidian; Youssef Joumani; Jocelyn LE DIRACH; Jean-Pierre Tranier
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: EP2935132B1; US20150345382A1; WO2014096611A1; KR20150100740A; JP2016510393A; CN104870383A; EP2935132A1; CN104870383B; BR112015014686A2; PL2935132T3; JP6272900B2; US9845725B2; FR3000174A1

Abstract

Procedimiento de fusión en un horno que incluye una cámara de fusión (100), procedimiento en el que: - se calienta la cámara de fusión (100) por medio de combustión, generando así energía térmica y humos calientes (20) en la cámara de fusión (100), - se expulsan los humos calientes (20) de la cámara de fusión (100) y se caliente aire (30), en calidad de gas caloportador, por intercambio térmico con humos calientes (20) expulsados de la cámara de fusión (100), con obtención de aire caliente (31), - se precalienta al menos un reactivo seleccionado de entre oxígeno (40) y/o combustible gaseoso (50) por intercambio térmico con el aire caliente (31), con obtención de al menos un reactivo precalentado (41, 51) y aire atemperado (32) y se utiliza el al menos un reactivo precalentado (41, 51) como reactivo de combustión para el calentamiento de la cámara de fusión (100), caracterizado por que: - se comprime el aire atemperado (32) en un primer compresor de aire (110) en orden a obtener aire atemperado comprimido (33), - se calienta el aire atemperado comprimido (33) por intercambio térmico con humos calientes (20) en orden a obtener aire comprimido calentado (34), y - se genera energía mecánica y/o eléctrica mediante expansión del aire comprimido calentado (34) en una turbina de expansión (12).

Description

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DESCRIPCION

Recuperacion energetica de los humos de un horno de fusion con una turbina de gas e intercambiadores de calor

En un horno de fusion, las materias primas son transformadas en material fundido merced a un aporte de energfa termica que generalmente se suministra, al menos en parte, mediante combustion. La parte mayoritaria de la energfa termica generada por la combustion se transfiere a la carga (materias primas solidas y material fundido). Sin embargo, con los humos de combustion se expulsa del horno energfa residual.

Asf, en el caso de un horno de fusion en aerocombustion, o combustion al aire, es conocido utilizar intercambiadores en contracorriente alternada compuestos por ceramicas (regeneradores) o intercambiadores de acero (recuperadores) para precalentar el aire de combustion aguas arriba del horno, en orden a aumentar no solo el rendimiento de la combustion dentro del horno, sino tambien el de la instalacion en su totalidad, por cuanto que una parte de la energfa termica contenida en los humos expulsados se recupera y utiliza como energfa de precalentamiento para el aire de combustion.

En un horno para vidrio con recuperadores, el aire de combustion es precalentado a 700 °C, en tanto que los regeneradores permiten alcanzar temperaturas de aire de combustion de 1200 °C, e incluso 1250 °C, al comienzo de la vida util de la instalacion.

Los operarios de los hornos de fusion, y especialmente los vidrieros, estan adoptando cada vez mas la oxicombustion, tecnologfa a un tiempo mas eficaz (por eliminar el lastre termico del nitrogeno) y menos contaminante (reduccion de los NOx y del CO2, siendo este mismo nitrogeno el originante de los NOx formados).

Sin embargo, los sistemas de recuperacion de energfa de los humos desarrollados para la aerocombustion (regeneradores y recuperadores) no estan adaptados para la recuperacion de energfa termica de los humos generados por la oxicombustion.

El documento EP-A-1338848 describe un sistema de recuperacion de energfa de los humos de un horno para vidrio y, en particular, de un horno para vidrio en oxicombustion. Dicho sistema comprende al menos un intercambiador de calor para el precalentamiento de un gas rico en oxfgeno y/o de un combustible gaseoso por intercambio termico con los humos expulsados del horno, una caldera situada aguas abajo del al menos un intercambiador de calor y apta para generar vapor sobrecalentado por intercambio termico con los humos y una turbina de vapor para la expansion del vapor sobrecalentado con produccion de energfa mecanica.

Segun el documento EP-A-1338848, la energfa mecanica generada por la turbina se puede utilizar para abastecer al menos una parte de las necesidades energeticas de una instalacion de separacion de los gases del aire que suministra oxfgeno de combustion para el horno para vidrio.

Para la produccion de vapor sobrecalentado dentro de la caldera con una eficiencia industrialmente aceptable, los humos en la entrada de la caldera y, con ello, en la salida del intercambiador de calor, tienen que presentar una temperatura de al menos 1000 °C, e incluso de 1200 °C a 1500 °C.

Pese a las correctas resistencias a tales temperaturas de los materiales identificados en el documento EP-A- 1338848, los vidrieros prefieren utilizar sistemas de recuperacion de energfa a mas baja temperatura, que se estiman mas duraderos.

Tal sistema alternativo particularmente fiable para la recuperacion de energfa de los humos de un horno para vidrio de oxicombustion se encuentra descrito en el documento EP-A-0872690.

Segun el documento EP-A-0872690, los humos procedentes del horno de oxicombustion son utilizados para el precalentamiento indirecto del oxfgeno y/o del combustible aguas arriba del horno. En un primer intercambiador de calor, los humos procedentes del horno calientan un fluido intermedio, tal como, por ejemplo, aire, por intercambio termico entre los dos fluidos. El fluido intermedio calentado procedente del primer intercambiador es utilizado en un segundo intercambiador termico para calentar oxfgeno de combustion y/o el combustible.

No obstante, el sistema de recuperacion de energfa de los humos segun el documento EP-A-0872690 no permite una recuperacion suplementaria de energfa de los humos en forma de vapor sobrecalentado, como es el caso en el documento EP-A-1338848, debido a que, a efectos practicos, los humos en la salida del primer intercambiador presentan una temperatura netamente inferior a 1000 °C.

El documento US 2012/135362 A1 representa el estado de la tecnica mas proximo a las reivindicaciones 1 y 7 y describe las caractensticas de los preambulos de estas reivindicaciones.

La presente invencion tiene como objetivo incrementar la eficiencia de recuperacion de calor de los humos de un horno de fusion que utiliza un combustible gaseoso y/u oxfgeno como comburente y en el que son precalentados oxfgeno de combustion y/o combustible gaseoso por intercambio de calor indirecto con los humos expulsados del horno.

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Mas en particular, la presente invencion se refiere a un procedimiento de fusion en un horno que incluye una camara de fusion. De acuerdo con este procedimiento, se calienta la camara de fusion por medio de combustion, generando asf energfa termica y humos calientes en la camara de fusion. Los humos calientes son expulsados de la camara de fusion y se calienta aire, utilizado en calidad de gas caloportador, por intercambio termico con al menos una parte de los humos calientes expulsados de la camara de fusion, con obtencion de aire caliente. Se precalienta al menos un reactivo seleccionado de entre oxfgeno y/o combustible gaseoso por intercambio termico con el aire caliente, con obtencion de al menos un reactivo precalentado y aire atemperado, y se utiliza el al menos un reactivo precalentado como reactivo de combustion para el calentamiento de la camara de fusion. Segun la invencion, se comprime el aire atemperado, obtenido tras el precalentamiento del al menos un reactivo, en un compresor de aire en orden a obtener aire atemperado comprimido. A continuacion, este aire atemperado comprimido es calentado por intercambio termico con humos calientes generados por la combustion dentro de la camara de fusion, en orden a obtener aire comprimido calentado con el que se genera energfa mecanica y/o electrica mediante expansion de este aire comprimido calentado en una turbina de expansion.

Se observa, segun la invencion, una sinergia significativa entre, por una parte, el sistema de recuperacion de energfa termica de los humos procedentes de la camara de fusion y, por otra, la energfa recuperada por la turbina de expansion. En efecto, se advierte un rendimiento global netamente por encima del rendimiento energetico que cabe prever para una simple yuxtaposicion de una turbina de expansion y de una instalacion de recuperacion de energfa termica por precalentamiento de reactivos por medio de los humos calientes.

Es de senalar que no necesariamente la combustion es el unico medio de calentamiento de la camara de fusion y que el horno puede estar dotado de medios de combustion auxiliares, tales como electrodos.

De manera ventajosa, se precalienta, en calidad de reactivo de combustion, oxfgeno por intercambio termico con el aire caliente. Se puede igualmente precalentar combustible gaseoso en calidad de reactivo de combustion, solo o, preferentemente, en combinacion con oxfgeno.

El oxfgeno precalentado puede ser el unico comburente utilizado para la combustion en la camara de fusion. El oxfgeno precalentado se puede utilizar igualmente en combinacion con aire en calidad de comburente, tfpicamente aire precalentado.

De este modo, el horno de fusion puede ser un horno de oxicombustion (cuyo unico comburente es oxfgeno), un horno de combustion enriquecido (que utiliza aire enriquecido con oxfgeno en calidad de comburente) o tambien un horno de oxidante mixto (que utiliza una combinacion de combustion con oxfgeno y una combinacion de combustion con aire, pudiendo estar este aire, ocasionalmente, enriquecido con oxfgeno).

En el presente contexto, el termino “oxfgeno” hace referencia a un gas que tiene un contenido en O2 de al menos el 75 % en volumen, preferentemente entre el 80 % en volumen y el 100 % en volumen, y aun mas preferentemente, entre el 90 % en volumen y el 100 % en volumen.

Analogamente, el combustible gaseoso precalentado puede ser el unico combustible utilizado para la combustion en la camara de fusion, o el combustible gaseoso precalentado se puede utilizar en combinacion con otro combustible.

El horno es preferentemente un horno de oxicombustion.

El gas natural es un combustible gaseoso preferido.

El precalentamiento de al menos un reactivo de combustion por intercambio termico con el aire caliente se realiza tipicamente en un intercambiador de calor, llamado intercambiador de calor primario.

El calentamiento del aire, utilizado como gas caloportador, analogamente se realiza tipicamente en un segundo intercambiador de calor, llamado intercambiador de calor secundario.

Segun un primer modo de realizacion, el aire atemperado comprimido es calentado igualmente en el intercambiador de calor secundario por intercambio termico con los humos calientes.

Segun un modo de realizacion alternativo, el aire atemperado comprimido es calentado por intercambio termico con humos calientes en un tercer intercambiador termico, llamado intercambiador termico terciario. El intercambiador secundario y el intercambiador terciario pueden funcionar en serie o en paralelo. En el ultimo caso, se dividen los humos calientes en varias fracciones. Una primera fraccion es introducida entonces en el intercambiador secundario para el calentamiento del aire que se utiliza como gas caloportador. Una segunda fraccion es introducida en el intercambiador terciario para el calentamiento del aire atemperado comprimido aguas arriba de la turbina de expansion.

La energfa mecanica y/o electrica generada por la turbina de expansion puede ser suministrada, al menos en parte, a uno o varios compresores de aire. El o los compresores de aire se seleccionan especialmente de entre: un compresor de aire que comprime el aire atemperado, un compresor de aire que alimenta una unidad de separacion de los gases del aire y otro compresor de aire tal como, por ejemplo, un compresor de aire que suministra aire

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comprimido en calidad de gas caloportador al intercambiador de calor secundario. En efecto, la instalacion de fusion no solo esta equipada con un compresor de aire, muchas veces denominado soplante, para la compresion de aire atemperado para el intercambiador secundario, sino que tambien incluye generalmente un compresor de aire para el suministro del aire antes de su utilizacion como gas caloportador.

La instalacion tambien puede comprender una unidad de separacion de los gases del aire y/u otras unidades consumidoras de aire comprimido suministrado por un compresor de aire.

La instalacion puede comprender especialmente una unidad de separacion de los gases del aire que suministra el oxfgeno de combustion, instalaciones de refrigeracion con aire comprimido, etc. La turbina de expansion puede suministrar entre el 75 % y el 100 %, preferentemente el 100 % del consumo energetico del compresor de aire que alimenta el intercambiador de calor secundario con aire comprimido.

Preferentemente, la turbina de expansion suministra entre el 25% y el 100%, preferentemente entre el 50% y el 100% y, en particular, el 100% del consumo energetico del compresor de aire que alimenta la unidad de separacion de los gases del aire. Esta unidad de separacion de los gases del aire genera preferentemente oxfgeno utilizado como reactivo de combustion en el procedimiento de fusion. La unidad de separacion de los gases del aire puede incluir especialmente una columna de destilacion criogenica de los gases del aire, aunque tambien son concebibles otros tipos de unidades de separacion de los gases del aire.

Es util prever un deposito de oxfgeno lfquido como fuente de oxfgeno de combustion en un paro o una reduccion de la produccion de oxfgeno de combustion mediante la unidad de separacion de los gases del aire. Tal deposito de oxfgeno presenta un volumen de almacenamiento que permite la alimentacion de oxfgeno de combustion a una capacidad de la camara de fusion durante 6 a 8 horas en un paro de la unidad de separacion de los gases del aire. Es util asimismo prever una fuente auxiliar de energfa tal como un generador, para suministrar energfa mecanica y/o energfa electrica destinada a su utilizacion en un paro de la turbina de expansion.

Los parametros del procedimiento dependen del material que haya de fundirse, tal como vidrio, metal, esmalte, etc., del tamano y del tipo de la camara de fusion, del caudal de material fundido, etc.

Se han identificado como ventajosos los siguientes parametros operativos, solos o en combinacion, en especial, aunque no unicamente, cuando el procedimiento es un procedimiento de fusion de vidrio:

• la temperatura de los humos calientes expulsados de la camara de fusion es de 1000 °C a 2000 °C,

• la temperatura del oxfgeno en la salida del intercambiador primario (oxfgeno precalentado) es del orden de 250 °C a 600 °C,

• la temperatura del combustible gaseoso en la salida del intercambiador primario (combustible precalentado) es del orden de 250 °C a 550 °C,

• la temperatura del aire caliente procedente del intercambiador secundario es de 600 °C a 800 °C,

• la temperatura del aire comprimido calentado procedente, segun sea el caso, del intercambiador secundario o terciario es de 600 °C a 800 °C,

• la temperatura del aire atemperado procedente del intercambiador primario es de 150 °C a 400 °C.

La presente invencion se refiere asimismo a una instalacion de fusion adaptada para la puesta en practica de uno cualquiera de los modos de realizacion del procedimiento segun la invencion.

Asf, la invencion se refiere a una instalacion de fusion que incluye un horno que define una camara de fusion calentada por combustion. La camara de fusion incluye al menos una salida de humos para la expulsion de los humos generados por esta combustion.

La instalacion incluye asimismo un intercambiador de calor primario para el precalentamiento de oxfgeno de combustion y/o de combustible gaseoso aguas arriba de la camara de fusion por intercambio termico con aire en calidad de gas caloportador. Dicho intercambiador primario presenta (a) una entrada de gas caloportador (caliente) y una salida de gas caloportador (atemperado) y (b) una entrada de oxfgeno de combustion (para el oxfgeno de combustion que ha de precalentarse) y una salida de oxfgeno de combustion (para el oxfgeno de combustion precalentado) y/o una entrada de combustible gaseoso (para combustible gaseoso que ha de precalentarse) y una salida de combustible gaseoso (para el combustible gaseoso precalentado).

El intercambiador primario presenta, de manera util, una entrada y una salida de oxfgeno de combustion y asimismo, preferentemente, una entrada y una salida de combustible gaseoso.

La instalacion de fusion tambien incluye un intercambiador de calor secundario para el calentamiento de aire, que es utilizado como gas caloportador en el intercambiador primario, por intercambio termico con los humos procedentes

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de la camara de fusion. Dicho intercambiador secundario presenta (a) una entrada de aire (para el fluido caloportador que ha de calentarse) y una salida de aire comprimido (para el aire comprimido calentado) y (b) una entrada de humos (calientes) y una salida de humos (atemperados).

La entrada de humos del intercambiador secundario esta unida a al menos una salida de humos de la camara de fusion. La salida de oxfgeno de combustion del intercambiador primario esta unida a al menos un inyector de comburente de la camara de fusion. La salida de comburente gaseoso del intercambiador primario esta unida a al menos un inyector de combustible de la camara de fusion.

Por regla general, en el presente contexto, el termino “unido” se utiliza en el sentido de “unido flmdicamente”, por ejemplo por medio de una canalizacion.

La salida de aire (atemperado) del intercambiador de calor primario esta unida a una entrada de aire de un compresor de aire, llamado primer compresor de aire, el primer compresor de aire tiene una salida de aire comprimido que esta unida a un intercambiador de calor para el calentamiento de aire comprimido, en el que el aire comprimido es calentado por intercambio termico con humos generados por la combustion en la camara de fusion. El intercambiador de calor para el calentamiento del aire comprimido tiene una salida de aire comprimido calentado que esta unida a una entrada de gas comprimido de una turbina de expansion, para la generacion de energfa mecanica y/o electrica mediante la expansion, en esta turbina de expansion, del aire comprimido calentado.

Segun un modo preferido de realizacion de la instalacion, la turbina de expansion suministra energfa mecanica y/o electrica a al menos un compresor de aire. La turbina de expansion puede suministrar especialmente energfa mecanica y/o electrica a al menos un compresor de aire seleccionado de entre: el primer compresor de aire, un compresor de aire que alimenta una unidad de separacion de los gases del aire y otro compresor de aire, tal como un compresor de aire, llamado “segundo compresor”, que suministra aire comprimido a al menos otra unidad de la instalacion consumidora de aire comprimido. Asf, el segundo compresor puede ser un compresor de aire que suministra aire en calidad de gas caloportador al intercambiador de calor secundario.

Cuando la turbina de expansion suministra energfa mecanica a al menos un compresor de aire, esto se realiza ventajosamente por medio de un arbol de transmision que une la turbina de gas a dicho compresor de aire.

Cuando la instalacion segun la invencion incluye una unidad de separacion de los gases del aire, esta presenta preferentemente una salida de oxfgeno unida a al menos un inyector de comburente de la camara de fusion, para el suministro de oxfgeno de combustion mediante la unidad de separacion a dicho al menos un oxiquemador. De manera preferida, la salida de oxfgeno de la unidad de separacion de los gases del aire esta unida, para este fin, a la entrada de oxfgeno de combustion del intercambiador primario. La salida de oxfgeno de la unidad de separacion de los gases del aire esta unida entonces a al menos un inyector de comburente por mediacion del intercambiador primario, cuya salida de oxfgeno de combustion esta unida a dicho al menos un inyector de comburente.

Tal como se ha indicado antes, la unidad de separacion de los gases del aire incluye preferentemente una columna de destilacion criogenica de los gases del aire. La unidad de separacion de los gases del aire tambien puede ser un sistema basado en la tecnica llamada VSA (Vacuum Swing Adsorption).

Asimismo, la instalacion incluye ventajosamente un deposito de oxfgeno en calidad de fuente de oxfgeno de combustion en un paro o una productividad reducida de la unidad de separacion de los gases del aire. La instalacion puede asimismo incluir, de manera util, una fuente auxiliar de energfa mecanica y/o de energfa electrica, tal como un generador, para el suministro de energfa mecanica y/o electrica en un paro de la turbina de expansion.

Tal como se ha indicado anteriormente, la combustion puede ser el unico medio de calentamiento de la camara de fusion o puede estar combinada con otros sistemas de calentamiento, tales como electrodos.

El oxfgeno de combustion (caliente) puede ser el unico comburente o se puede combinar con otros comburentes, tales como, en particular, aire. El combustible gaseoso puede ser el unico combustible o se puede combinar con otros combustibles.

Un inyector de comburente unido a la salida de oxfgeno de combustion del intercambiador primario puede formar parte de un quemador de la camara de fusion. Tal inyector de oxfgeno puede formar parte, asimismo, de una lanza de comburente de la camara de fusion y, en particular, de una lanza de oxfgeno.

Analogamente, un inyector de combustible gaseoso unido a la salida de combustible gaseoso del intercambiador primario puede formar parte de un quemador de la camara de fusion o puede estar integrado en una lanza de combustible de dicha camara.

Segun un modo preferido de realizacion, el horno de fusion es un horno para vidrio y, en particular, un horno para vidrio de tipo llamado horno float (es decir, un horno para bano de flotacion, tambien denominado bano de metal), pero la invencion es tambien util para otros hornos de fusion, inclusive hornos de fusion de metales tal como, por ejemplo, los metales no ferrosos.

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Si bien la anterior descripcion de la invencion se limita a un modo de realizacion segun el cual se utiliza aire en calidad de gas caloportador, segun una variante de la invencion, se puede utilizar, en calidad de gas caloportador, otro gas, tal como, por ejemplo, el nitrogeno.

El gas caloportador puede circular en circuito abierto o en circuito cerrado. En el ultimo caso, el gas obtenido tras la expansion en la turbina de expansion se reutiliza en calidad de gas caloportador en el procedimiento / instalacion. Este modo de realizacion esta especialmente indicado cuando el gas caloportador es un gas distinto al aire.

La presente invencion y sus ventajas se describen seguidamente con mayor detalle haciendo referencia a las figuras 1 y 2.

Las figuras 1 y 2 son representaciones esquematicas de dos ejemplos de una instalacion y de un procedimiento segun la invencion que utilizan aire en calidad de gas caloportador.

El horno de fusion incluye una camara de fusion 100 de oxicombustion, calentada por cierto numero de oxiquemadores (no representados). Dichos quemadores son alimentados con combustible, tal como, por ejemplo, el gas natural, por el conducto 105 y con oxfgeno de combustion, por el conducto 104.

El oxfgeno de combustion es generado por una unidad de separacion de los gases del aire 160, que separa aire comprimido 161 en un flujo de oxfgeno 40, que tiene un contenido en O2 de al menos el 90 % en volumen, y un flujo (no representado) que principalmente consiste en N2.

Los humos 20 generados por la oxicombustion en la camara de fusion 100 son expulsados de la camara de combustion por la salida 101, teniendo dichos humos 20 una temperatura entre 1000 °C y 2000 °C, por ejemplo entre 1250 °C y 1750 °C.

Dichos humos calientes 20 o al menos una parte 21 de dichos humos son conducidos hacia un primer intercambiador de calor, llamado “intercambiador de calor secundario” 140. Los humos calientes (20, 21) entran al intercambiador secundario 140 por una entrada de humos 143 y salen por la salida de humos 144. En el interior del intercambiador secundario 140, los humos calientan aire 30 por intercambio termico.

El aire 30 es introducido en el intercambiador secundario 140 por una entrada de aire 141. El aire calentado 31 sale del intercambiador secundario 140 por la salida de aire 142 a una temperatura entre 600 °C y 800 °C.

El aire calentado 31 procedente del intercambiador secundario 140 es conducido hacia e introducido en un segundo intercambiador de calor, llamado “intercambiador primario” 130, por la entrada de gas caloportador 131.

En las figuras se muestra un solo intercambiador primario 130. No obstante, dicho intercambiador primario 130 puede descomponerse en una serie de varios subintercambiadores primarios, es decir, una serie de intercambiadores gas caloportador / oxfgeno de combustion y/o de intercambiadores gas caloportador / combustible gaseoso.

Por la entrada de oxfgeno 133 es introducido en el intercambiador primario 130, procedente de la unidad de separacion 160, un flujo de oxfgeno 40, que sale del intercambiador primario, por la salida de oxfgeno 134, en calidad de oxfgeno precalentado 41. Por la entrada de combustible 135 es introducido en el intercambiador primario 130 un flujo de gas natural 50, que sale del intercambiador primario 130, por la salida de combustible 136, en calidad de gas natural precalentado 51.

En el interior del intercambiador primario 130, el flujo de oxfgeno 40 es precalentado a una temperatura entre 350 °C y 650 °C, por ejemplo, a 550 °C, por intercambio termico con el aire calentado 31, y el flujo de gas natural 50 es precalentado a una temperatura entre 250 °C y 550 °C, por ejemplo, a 450 °C, tambien por intercambio termico con el aire calentado 31.

El oxfgeno asf precalentado 41 es transportado en calidad de oxfgeno de combustion hacia la camara de fusion 100 por el conducto 104 y el gas natural asf precalentado 51 es transportado en calidad de combustible hacia la camara de fusion 100 por el conducto 105.

Tras su utilizacion para el precalentamiento del oxfgeno y del combustible gaseoso, el gas caloportador (aire) atemperado 32 es expulsado del intercambiador primario 130 por la salida de aire 132.

El aire atemperado 32 es conducido hacia un compresor de aire 110, en el que se comprime el aire atemperado a una presion entre 10 y 20 atm, por ejemplo a aproximadamente 15 atm, en orden a obtener, en la salida 112 del compresor 110, aire atemperado comprimido 33.

El aire atemperado comprimido 33 es conducido entonces hacia un intercambiador de calor para ser calentado por intercambio termico con humos calientes 20 procedentes de la camara de fusion 100.

Asf, en el modo de realizacion ilustrado en la figura 1, el aire atemperado comprimido 33 es introducido en el

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intercambiador secundario 140 por la entrada de aire comprimido 153, y el aire comprimido calentado 34 obtenido por intercambio termico con los humos calientes 20 es expulsado del intercambiador secundario 140 por la salida de aire comprimido calentado 154.

En el modo de realizacion ilustrado en la figura 2, el aire atemperado comprimido 33 es introducido en un tercer intercambiador de calor, llamado “intercambiador terciario” 150, por la entrada de aire comprimido 153. Los humos calientes 20 se dividen en dos fracciones 21 y 22. La fraccion de humos calientes 21 es introducida en el intercambiador secundario 140 para el calentamiento del aire 30 que se utiliza como gas caloportador. La fraccion de humos calientes 22 es introducida en el intercambiador terciario 150 por la entrada de humos calientes 151 para el calentamiento del aire atemperado comprimido 33 obtenido por compresion, en el compresor 110, del aire atemperado procedente del intercambiador primario. Los humos atemperados son expulsados del intercambiador terciario 150 por la salida de humos 152 y el aire comprimido calentado es expulsado por la salida de aire comprimido 154.

La graduacion de la fraccion de humos calientes 21 enviada hacia el intercambiador secundario 140 y de la fraccion de humos calientes 22 enviada hacia el intercambiador terciario 150 en funcion de la energfa termica necesaria, respectivamente, para el calentamiento del aire 30 utilizado en calidad de gas caloportador y el calentamiento del aire comprimido, permite optimizar la recuperacion y el aprovechamiento de la energfa termica presente en los humos calientes 20, en la salida de la camara de fusion 100.

El aire comprimido calentado 34 es conducido entonces hacia la entrada de gas comprimido 121 de una turbina de expansion 120. La expansion del aire comprimido calentado 34 en esta turbina de expansion 120 genera energfa mecanica y electrica. Tras la expansion, el aire es expulsado de la turbina de expansion por la salida 122.

En los casos ilustrados, la energfa obtenida mediante esta expansion del aire comprimido calentado se transmite:

• por una parte, al compresor de aire 34, en forma de energfa mecanica, mediante el arbol de transmision 123, y

• por otra, a la unidad de separacion 160, en forma de energfa electrica, mediante la conexion 124.

Ejemplo

La presente invencion y sus ventajas se ilustran en el ejemplo comparativo que sigue.

El ejemplo segun la invencion corresponde al esquema de la figura 1.

La referencia corresponde al mismo esquema, con la salvedad de que el aire atemperado 32 procedente del intercambiador de calor primario 130 se envfa directamente a la chimenea.

El horno es un horno de fusion de vidrio calentado por oxicombustion unicamente, con un consumo de oxfgeno de 7000 Nm3/h y una produccion aproximada de 620 t/d de vidrio.

El consumo electrico de la unidad de separacion de los gases del aire se estima a 3 MWe.

En el intercambiador primario 130, el oxfgeno es precalentado a 550 °C y el gas natural es precalentado a 450 °C.

En el intercambiador secundario 140, el aire es calentado a 650 °C.

En el ejemplo segun la invencion, los gases de combustion salen de la camara de combustion 41 a la temperatura de 1300 °C.

El balance electrico se define tomando el consumo de energfa para la compresion de aire para la alimentacion de la unidad de separacion 160, para la alimentacion del intercambiador secundario con gas caloportador y para la compresion del aire atemperado 32 en el compresor 110.

Se han de considerar dos supuestos:

- un supuesto en el que el precio de la electricidad es de 40 €/MWh,

- un supuesto en el que el precio de la electricidad es de 140 €/MWh.

La tabla 1 proporciona los datos economicos resultantes de estos balances de material y energfa, para el supuesto 1.

El coeficiente de inversion permitido se calcula basandose en una amortizacion en 4 anos con una disponibilidad del equipo de 8600 horas/ano.

: Referencia Invencion

Balance electrico (kWe): -2991,0 -2347,9

OPEX (EUR/h): 209,37 164,35

Inversion adicional (EUR/kWh): 2408

Tabla 1: calculo del coste de inversion (supuesto 1)

Para el supuesto 2, en el que el gas natural esta a 40€/MWh y la electricidad, a 140€/MWh, los datos economicos figuran en la tabla 2:

: Referencia Invencion

Balance electrico (kWe): -2991

OPEX (EUR/h): 418,74 328,71

Inversion adicional (EUR/kWh): 4816

Tabla 2: calculo del coste de inversion (supuesto 2)

5 Para la referencia, se observa un balance electrico de -2991 kWe. Segun la invencion, el balance electrico se reduce a -2347,9 kWe, es decir, una reduccion de mas del 20 %. Esto muestra que la invencion presenta un verdadero interes economico, en particular en regiones con alto precio de energfa.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de fusion en un horno que incluye una camara de fusion (100), procedimiento en el que:

• se calienta la camara de fusion (100) por medio de combustion, generando asf energfa termica y humos calientes (20) en la camara de fusion (100),

• se expulsan los humos calientes (20) de la camara de fusion (100) y se caliente aire (30), en calidad de gas caloportador, por intercambio termico con humos calientes (20) expulsados de la camara de fusion (100), con obtencion de aire caliente (31),

• se precalienta al menos un reactivo seleccionado de entre oxfgeno (40) y/o combustible gaseoso (50) por intercambio termico con el aire caliente (31), con obtencion de al menos un reactivo precalentado (41, 51) y aire atemperado (32) y se utiliza el al menos un reactivo precalentado (41, 51) como reactivo de combustion para el calentamiento de la camara de fusion (100),

caracterizado por que:

• se comprime el aire atemperado (32) en un primer compresor de aire (110) en orden a obtener aire atemperado comprimido (33),

• se calienta el aire atemperado comprimido (33) por intercambio termico con humos calientes (20) en orden a obtener aire comprimido calentado (34), y

• se genera energfa mecanica y/o electrica mediante expansion del aire comprimido calentado (34) en una turbina de expansion (12).
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que se precalienta el al menos un reactivo de combustion (40, 50) por intercambio termico con el aire caliente (31) en un intercambiador de calor primario (130) y se calienta el gas caloportador (30) por intercambio termico con humos calientes (20) expulsados de la camara de fusion (100) en un intercambiador de calor secundario (140).
3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, en el que se calienta asimismo el aire atemperado comprimido (33) por intercambio termico con humos calientes (20) expulsados de la camara de fusion (100) en el intercambiador secundario (140).
4. Procedimiento segun la reivindicacion 2, en el que se calienta el aire atemperado comprimido (33) con humos calientes (20) expulsados de la camara de fusion (100) en un intercambiador de calor terciario (150).
5. Procedimiento segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el que la energfa mecanica y/o electrica generada por la turbina de expansion (120) se suministra al menos en parte a uno o varios compresores de aire (110).
6. Procedimiento segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el que el horno de fusion es un horno de fusion de vidrio, preferentemente un horno de fusion de vidrio de tipo float.
7. Instalacion de fusion que incluye:

• un horno que define una camara de fusion (100) calentada por combustion y que incluye al menos una salida de humos (101) generados por la combustion,

• un intercambiador de calor primario (130) para el precalentamiento del oxfgeno de combustion (40) y/o de combustible gaseoso (50) aguas arriba de la camara de fusion (100) por intercambio termico con aire (31) en calidad de gas caloportador, presentando dicho intercambiador primario (130) (a) una entrada (131) y una salida (132) de gas caloportador y (b) una entrada (133) y una salida (134) de oxfgeno de combustion y/o una entrada (135) y una salida (136) de combustible gaseoso,

• un intercambiador de calor secundario (140) para el calentamiento de aire (30) por intercambio termico con los humos (20) procedentes de la camara de fusion (100), presentando dicho intercambiador secundario (140) (a) una entrada (141) y una salida (142) de aire y (b) una entrada (143) y una salida (144) de humos,

instalacion en la que:

• la entrada de humos (143) del intercambiador secundario (140) esta unida a una salida de humos (101) de la camara de fusion (100),

• la salida de oxfgeno de combustion (134) del intercambiador primario (130) esta unida a al menos un inyector de comburente (102) de la camara de fusion (100) y/o la salida de combustible gaseoso (136) del

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intercambiador primario (130) esta unida a al menos un inyector de combustible (103) de la camara de fusion (100),

y caracterizada por que:

• la salida de aire (132) del intercambiador de calor primario (130) esta unida a una entrada de aire (111) de un primer compresor de aire (110), teniendo dicho primer compresor de aire (110) una salida de aire comprimido (112) unida a una entrada de aire comprimido (143, 153) de un intercambiador de calor (140, 150) para el calentamiento de aire comprimido (33) por intercambio termico con humos (20) generados por la combustion en la camara de fusion (100), teniendo dicho intercambiador de calor una salida (146, 153) de aire comprimido calentado (34), estando unida dicha salida de aire calentado (34) a una entrada de gas comprimido (122) de una turbina de expansion (120) para la generacion de energfa mecanica y/o electrica mediante la expansion del aire comprimido calentado (34) en la turbina de expansion (120).
8. Instalacion segun la reivindicacion 7, en la que el intercambiador de calor secundario (140) es utilizado igualmente en calidad de intercambiador de calor para el calentamiento de aire comprimido.
9. Instalacion segun la reivindicacion 7, en la que un tercer intercambiador de calor, llamado intercambiador de calor terciario, es utilizado en calidad de intercambiador de calor para el calentamiento de aire comprimido (33).
10. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en la que la turbina de expansion (120) suministra energfa mecanica y/o electrica a al menos un compresor de aire (110).
11. Instalacion segun la reivindicacion 10, en la que la turbina de expansion (120) suministra energfa mecanica y/o electrica a al menos un compresor de aire seleccionado de entre: el primer compresor de aire (120), un segundo compresor de aire que alimenta una unidad de separacion de los gases del aire (110) y otro compresor de aire.
12. Instalacion segun la reivindicacion 7 a 11, en la que la turbina de expansion (120) suministra energfa mecanica o electrica a una unidad de separacion de los gases del aire (160) y/o un compresor de aire de una unidad de separacion de los gases del aire (160), presentando dicha unidad de separacion de los gases del aire una salida de oxfgeno unida a la entrada de oxfgeno de combustion (133) del intercambiador primario (130).
13. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, en la que:

• la salida de oxfgeno de combustion (134) del intercambiador primario (130) esta unida a al menos un inyector de comburente (102) integrado en un quemador de la camara de fusion (100) y/o la salida de combustible gaseoso (136) del intercambiador primario (130) esta unida a al menos un inyector de combustible (103) integrado en un quemador de la camara de fusion (100);

y/o en la que

• la salida de oxfgeno de combustion (134) del intercambiador primario (130) esta unida a al menos un inyector de comburente (102) integrado en una lanza de comburente de la camara de fusion (100) y/o la salida de combustible gaseoso (136) del intercambiador primario (130) esta unida a al menos un inyector de combustible (103) integrado en una lanza de combustible de la camara de fusion (100).
14. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, en la que el horno de fusion es un horno para vidrio, preferentemente un horno para vidrio de tipo float.
15. Utilizacion de una instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14 en un procedimiento segun la reivindicacion 1.