ES2624723T3 - Quemador de oxígeno combustible de orificio pasante - Google Patents

Quemador de oxígeno combustible de orificio pasante Download PDF

Info

Publication number
ES2624723T3
ES2624723T3 ES10722270.5T ES10722270T ES2624723T3 ES 2624723 T3 ES2624723 T3 ES 2624723T3 ES 10722270 T ES10722270 T ES 10722270T ES 2624723 T3 ES2624723 T3 ES 2624723T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
oxidant
fuel
burner
hole
conduit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES10722270.5T
Other languages
English (en)
Inventor
Mark Daniel D'agostini
Michael Edward Habel
Matthew James Watson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=42629111&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=ES2624723(T3) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Air Products and Chemicals Inc filed Critical Air Products and Chemicals Inc
Application granted granted Critical
Publication of ES2624723T3 publication Critical patent/ES2624723T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/235—Heating the glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/235—Heating the glass
    • C03B5/2353—Heating the glass by combustion with pure oxygen or oxygen-enriched air, e.g. using oxy-fuel burners or oxygen lances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/235—Heating the glass
    • C03B5/237—Regenerators or recuperators specially adapted for glass-melting furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/42—Details of construction of furnace walls, e.g. to prevent corrosion; Use of materials for furnace walls
    • C03B5/435—Heating arrangements for furnace walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/42—Details of construction of furnace walls, e.g. to prevent corrosion; Use of materials for furnace walls
    • C03B5/44—Cooling arrangements for furnace walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Abstract

Quemador, (1) que comprende: una primera camisa (10) de fluido de refrigeración con un diámetro exterior equivalente, D; un primer conducto (20) de oxidante dispuesto en una relación fija en el espacio y generalmente de manera concéntrica en el interior de la primera camisa (10) de fluido de refrigeración, teniendo el primer conducto (20) de oxidante: una entrada (21); una primera porción (23) más abajo de la entrada (21) del primer conducto (20) de oxidante; una porción curvada (25) más abajo de la primera porción (23) del primer conducto (20) de oxidante, teniendo la porción curvada (20) del primer conducto de oxidante un ángulo de curvatura, a, de 45º a 120º; y una segunda porción (27) más abajo de la porción curvada (25) del primer conducto (20) de oxidante, terminando la segunda porción (27) del primer conducto (20) de oxidante en un extremo de salida (29) y teniendo un eje del flujo (22) y una longitud, L; y un conducto (40) de combustible que tiene: una entrada (41); una primera porción (43) más abajo de la entrada (41) del conducto de combustible, en el que la primera porción (43) del conducto (40) de combustible está dispuesta en una relación fija en el espacio y generalmente de manera concéntrica en el interior de la primera porción (23) del primer conducto (20) de oxidante; una porción curvada (45) en el que la porción curvada del conducto de combustible está dispuesta en una relación fija en el espacio y generalmente de manera concéntrica en el interior de la porción curvada (25) del primer conducto (20) de oxidante; y una segunda porción (47) que termina en un extremo (49) de salida y que tiene un eje del flujo (42) en el que la segunda porción (47) del conducto de combustible está dispuesta en una relación fija en el espacio y generalmente de manera concéntrica en el interior de la segunda porción (27) del primer conducto (20) de oxidante, definiendo de ese modo un paso (50) de oxidante entre la segunda porción (47) del conducto (40) de combustible y la segunda porción (27) del primer conducto (20) de oxidante; en el que el paso (50) de oxidante tiene una parte (51) de entrada, una parte (53) de transición más abajo de la parte de entrada, y una parte (55) de salida más abajo de la parte (53) de transición, en el que la parte (51) de entrada tiene un área de la sección transversal, Ai, teniendo la parte (55) de salida un área de la sección transversal, Ao, y en el que **Fórmula** mediante lo cual, en general, concéntrico significa que el eje de un conducto es común con el eje del otro conducto o está desplazado ligeramente hasta en 2 cm.

Description

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
DESCRIPCION
Quemador de oxfgeno-combustible de orificio pasante ANTECEDENTES DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a quemadores de oxfgeno-combustible para su utilizacion en hornos de alta temperatura, por ejemplo hornos del vidrio.
Son bien conocidos los hornos del vidrio de recuperacion que queman aire-combustible. Los hornos del vidrio de recuperacion tienen multiples orificios del recuperador aire-combustible para producir llamas de combustion para la fusion del vidrio. Las caracteristicas basicas de diseno de los hornos del vidrio se describen en varias referencias, por ejemplo “Glass Furnaces, Design Construction and Operation” (Hornos del vidrio, diseno constructivo y funcionamiento), de Wolfgang Trier, traducido por K. L. Loewenstein, Society of Glass Technology, Sheffield, R.U., 2000, y The Handbook of Glass Manufacture,” (Manual de fabricacion del vidrio,) 3a ed. vols. 1 y 2, de Fay Tooley (ed.), Ashlee Publishing Co. (Nueva York), 1984.
Puede ser deseable la conversion de uno o varios orificios del recuperador para la combustion oxfgeno-combustible para reconvertir el horno a un horno hibrido tal como se describe en el documento US-A-6519973.
La finalizacion de la combustion aire-combustible y la sustitucion del aporte de energia por la combustion oxfgeno-combustible tiene sus problemas. Puesto que el horno se diseno inicialmente como un horno de aire-combustible, es dificil encontrar ubicaciones adecuadas para colocar los quemadores de oxfgeno-combustible. Una ubicacion donde se han instalado los quemadores de oxfgeno-combustible es el cuello del orificio del orificio del recuperador.
La parte posterior del orificio se puede bloquear u obstruir de otro modo para limitar o impedir el flujo de aire caliente del recuperador en el orificio. Se puede realizar un agujero en la parte superior, parte inferior, o en los lados del cuello del orificio para la instalacion del quemador de oxfgeno-combustible. El quemador de oxfgeno-combustible se introduce a continuacion en este agujero y en el cuello del orificio. El quemador de oxfgeno-combustible tiene que estar disenado para descargar combustible y oxigeno en el espacio del horno. Esto requiere que el quemador tenga un codo o una curva para cambiar la direccion del flujo del combustible y el oxidante. El problema de la instalacion de un quemador a traves del cuello del orificio es que el tamano del agujero para introducir el quemador es pequeno con el fin de mantener la integridad estructural del cuello del orificio.
Cuando el quemador se instala a traves de un agujero en la parte superior o en la parte inferior del cuello del orificio del recuperador, el quemador tendra una parte en general vertical para conducir el combustible y el oxigeno a traves del agujero y una parte en general horizontal para descargar el combustible y el oxigeno en el espacio de combustion y el oxigeno en el espacio de combustion del horno de vidrio con una parte acodada entre la parte en general vertical y la parte en general horizontal. Cuando el quemador se instala a traves de la pared lateral del cuello del orificio del recuperador, el quemador puede tener dos partes en general horizontales con una parte acodada entre las dos partes en general horizontales.
Un problema de la instalacion de un quemador de oxfgeno-combustible en el cuello del orificio del recuperador es que el quemador de oxfgeno-combustible necesitara tener la tobera de descarga cerca de la parte acodada, lo que requiere un cambio brusco o marcado en la direccion del flujo en una posicion proxima a la tobera de descarga. Una parte horizontal larga que termina en la tobera de descarga en el interior del orificio es problematica debido a las limitaciones de espacio en el orificio del recuperador. Ademas, una parte horizontal larga que termina en la tobera de descarga es problematica debido a que requeriria un gran agujero cortado en la pared del orificio que puede afectar al acero estructural que rodea el orificio. El cambio brusco o marcado en la direccion del flujo en una posicion proxima a la tobera de descarga provoca una alta caida de la presion, y turbulencia del flujo que sale de la tobera. La turbulencia provoca un mezclado rapido y, por consiguiente, una combustion proxima a la tobera que da como resultado llamas cortas. La combustion proxima a la tobera no es deseable debido al recalentamiento de la tobera y, cuando el quemador se utiliza como quemador de orificio pasante, el recalentamiento del refractario en el cuello del orificio.
El documento EP0532825 se refiere a la utilizacion de, al menos, un quemador de oxfgeno-combustible de manera concreta en hornos de recuperacion de quemadores transversales para la fusion del vidrio. Al hacer funcionar quemadores de oxfgeno-combustible situados en emplazamientos concretos en un horno de recuperacion de quemadores transversales de manera apropiada, puede llevarse a cabo la fusion del vidrio sin perturbar la cantidad de movimiento de la llama de los quemadores de aire-combustible, mejorando de ese modo la eficiencia de la fusion del vidrio y aumentando la produccion de los productos de vidrio.
El documento US6582218 describe un quemador de oxfgeno-combustible para proporcionar energia de combustion a un horno de vidrio mediante la mezcla y la combustion de un chorro de combustible y un chorro de oxidante. El quemador esta dividido en, al menos, dos partes, una parte vertical que comienza sustancialmente en la parte
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
inferior o el extremo de alimentacion del quemador y una parte sustancialmente horizontal, en general mas corta que termina en el extremo opuesto o de descarga del quemador. En una realizacion clave, la parte vertical del quemador sobresale en el interior de la atmosfera del horno a traves del lado inferior de un orificio de aire, mientras que la parte horizontal apunta hacia el interior del horno. Dependiendo del numero de quemadores instalados, esto permite una conversion parcial o total de un horno de aire-combustible a un horno de oxigeno-combustible. Ademas, en una realizacion clave, el quemador incluye unos medios de escalonamiento del oxidante para introducir el oxidante a traves de un conducto escalonado que discurre por debajo y de manera colateral con el conducto exterior.
BREVE RESUMEN DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un quemador segun la reivindicacion 1. El quemador es adecuado para convertir la combustion aire-combustible utilizando un orificio del recuperador para la combustion oxigeno-combustible, que resuelve los problemas mencionados anteriormente. La presente invencion se refiere asimismo a un horno con el quemador y un procedimiento de calentamiento de un horno utilizando el quemador segun las reivindicaciones 14 y 18, respectivamente. El procedimiento se puede utilizar durante una reparacion del recuperador, para prolongar la duracion del horno, y/o para aumentar la velocidad de produccion de un horno existente.
El quemador comprende una primera camisa de fluido de refrigeracion con un diametro exterior equivalente, D, un primer conducto de oxidante dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la primera camisa de fluido de refrigeracion y un conducto de combustible.
El primer conducto de oxidante tiene una entrada, una primera porcion mas abajo de la entrada del primer conducto de oxidante, una porcion curvada mas abajo de la primera porcion del primer conducto de oxidante, y una segunda porcion mas abajo de la porcion curvada del primer conducto de oxidante.
La porcion curvada tiene un angulo de curvatura, a, de 45° a 120°. El angulo de curvatura a puede ser de 60° a 110°.
La segunda porcion del primer conducto de oxidante termina en un extremo de salida y tiene un eje del flujo y una longitud, L. La segunda porcion puede tener una seccion transversal circular.
El conducto de combustible tiene una entrada, una primera porcion mas abajo de la entrada, una porcion curvada y una segunda porcion. La primera porcion del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la primera porcion del primer conducto de oxidante. La porcion curvada del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la porcion curvada del conducto de oxidante. La segunda porcion del conducto de combustible termina en un extremo de salida y tiene un eje del flujo. La segunda porcion del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la segunda porcion del primer conducto de oxidante. La segunda porcion del conducto de combustible puede tener una seccion transversal circular.
El eje del flujo de la segunda porcion del primer conducto de oxidante puede ser recto y puede ser sustancialmente paralelo o sustancialmente coincidente con el eje del flujo de la segunda porcion del conducto de combustible.
Un paso de oxidante esta formado o definido entre la segunda porcion del conducto de combustible y la segunda porcion del primer conducto de oxidante. El paso de oxidante tiene una parte de entrada, una parte de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte de salida mas abajo de la parte de transicion. La parte de entrada tiene un area de la seccion transversal, A. La parte de salida tiene un area de la seccion transversal, Ao.
d
varia entre 0,8 y 7 o varia entre 1,4 y 7, y
A
a
varia entre 1,3 y 5.
La segunda porcion del primer conducto de oxidante puede tener una superficie interior convexa en la parte de transicion del paso de oxidante.
La segunda porcion del conducto de combustible define un paso de combustible en el que el paso de combustible tiene una parte de entrada, una parte de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte de salida mas abajo de la parte de transicion. La parte de entrada de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, At, y la parte de salida de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area
de la seccion transversal, Ao en que
As,
Afo
puede ser desde 1,0 hasta 5 o desde 1,37 hasta 5.
La segunda porcion del conducto de combustible puede tener una superficie exterior concava en la parte de transicion del paso de oxidante.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
La segunda porcion del conducto de combustible puede tener una superficie interior concava y una superficie interior convexa en la parte de transicion del paso de combustible, en la que la superficie interior convexa del conducto de combustible esta mas abajo de la superficie interior concava del conducto de combustible.
El extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante puede sobresalir del extremo de salida de la segunda porcion del conducto de combustible de 0,2 cm a 3 cm.
El quemador puede comprender ademas un segundo conducto de oxidante en una relacion fija en el espacio con la segunda porcion del primer conducto de oxidante.
El segundo conducto de oxidante puede estar dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la primera camisa de fluido de refrigeracion. El quemador puede comprender ademas una segunda camisa de fluido de refrigeracion y el segundo conducto de oxidante puede estar dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la segunda camisa de fluido de refrigeracion. El segundo conducto de oxidante puede tener una entrada, una primera porcion mas abajo de la entrada del segundo conducto de oxidante, y una porcion curvada mas abajo de la primera porcion del segundo conducto de oxidante y una segunda porcion mas abajo de la porcion curvada del segundo conducto de oxidante.
La porcion curvada del segundo conducto de oxidante tiene un angulo de curvatura, fi estando el angulo de curvatura fi en el interior de 15° del angulo de curvatura a, y una segunda porcion mas abajo de la porcion curvada del segundo conducto de oxidante, terminando la segunda porcion del segundo conducto de oxidante en una tobera y teniendo un eje del flujo, la segunda porcion del segundo conducto de oxidante en una relacion fija en el espacio con la segunda porcion del primer conducto de oxidante.
El angulo de curvatura, fi puede estar en el interior de 2° del angulo de curvatura, a, y el eje del flujo de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante puede ser sustancialmente paralelo al eje del flujo de la segunda porcion del primer conducto de oxidante.
La tobera del segundo conducto de oxidante tiene una entrada y una salida. El extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante puede sobresalir de la salida de la tobera de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante de 0,2 cm a 3 cm. La entrada puede tener una seccion transversal circular y un area de la seccion transversal An, y la salida puede tener una seccion transversal no circular y un area de la seccion
transversal, Ano, en la que la salida de la tobera tiene una proporcion de anchura a altura de 1,5 a 5.
A
puede
variar entre 1,25 y 5.
La tobera del segundo conducto de oxidante puede tener una altura convergente y una anchura divergente.
La tobera del segundo conducto de oxidante puede tener una superficie convexa que realiza la transicion entre la seccion transversal circular y la seccion transversal no circular.
El horno comprende el recuperador, la camara de combustion del horno y el cuello del orificio del recuperador que conecta el recuperador a la camara de combustion del horno. El cuello del orificio del recuperador define un orificio y una abertura del orificio en la pared del horno. El horno comprende asimismo un quemador segun las caracteristicas descritas anteriormente. El quemador penetra a traves del cuello del orificio del recuperador y en el orificio y el quemador esta dispuesto para dirigir el combustible y un gas oxidante a traves de la abertura del orificio al interior del horno.
El horno comprende asimismo la cubeta del tanque de fusion dispuesta debajo y contigua a la camara de combustion del horno, un extremo de carga para introducir los ingredientes de formacion del vidrio en la cubeta del tanque de fusion, y un extremo de descarga para retirar un producto del vidrio de la cubeta del tanque de fusion. El horno comprende asimismo un orificio de extraccion en la pared del horno para retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno.
En una realizacion, el segundo conducto de oxidante penetra en la pared del horno en una posicion por debajo de la abertura del orificio y esta dispuesto para dirigir el oxidante al interior del horno.
El procedimiento de calentamiento de un horno comprende obstruir el flujo de aire al orificio, cerrar el flujo de combustible a un quemador de aire-combustible asociado con el orificio, instalar un quemador tal como el descrito anteriormente de modo que el quemador penetre a traves del cuello del orificio del recuperador en el interior del orificio, hacer pasar un refrigerante a traves de la primera camisa de fluido de refrigeracion y, si esta presente, a traves de la segunda camisa de refrigeracion, introducir un primer gas oxidante en el horno a traves del primer conducto de oxidante, e introducir el combustible u otro combustible en el horno a traves del conducto de combustible, realizar la combustion del combustible o del otro combustible con el gas oxidante para formar productos
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
de combustion y retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno a traves de un orificio de extraccion.
El procedimiento puede comprender continuar con el flujo de aire a traves del orificio en una cantidad mayor que el 5% hasta menos o igual al 25% del aire estequiometrico requerido para la combustion del combustible que pasa a traves del quemador.
El procedimiento puede comprender ademas introducir el primer gas oxidante o un segundo gas oxidante en el horno a traves de un segundo conducto de oxidante para realizar la combustion del combustible o del otro combustible.
BREVE DESCRIPCION DE LAS DIVERSAS VISTAS DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra un quemador de orificio pasante con una lanza de escalonamiento del oxidante en el orificio opcional.
La figura 2 muestra un quemador de orificio pasante instalado en un cuello del orificio del recuperador de un horno con una lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior.
La figura 3 muestra una vista a mayor escala del extremo de descarga del primer conducto de oxidante y del conducto de combustible.
La figura 4 muestra una vista a mayor escala del extremo de descarga de una lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior.
La figura 5 es una grafica del flujo calorifico normalizado en funcion de la distancia desde la tobera del quemador en un horno de ensayo.
La figura 6 es una grafica de resultados de modelado que muestran la temperatura pico de la llama en funcion de la longitud de la tobera adimensional.
La figura 7 es una grafica de resultados de modelado que muestran la temperatura de la llama en funcion de la distancia desde la salida de la tobera del quemador.
La figura 8a es una grafica de contorno de la magnitud de la velocidad a partir de los resultados de modelado.
La figura 8b es una grafica de contorno de la magnitud de velocidad a partir de los resultados de modelado.
La figura 9 es una grafica de los resultados de modelado que muestra la longitud de la llama en funcion de la longitud de la tobera adimensional.
La figura 10 es una grafica de los resultados de modelado que muestran la temperatura en funcion de la proporcion del area de paso de oxigeno.
La figura 11 es una grafica de los resultados de modelado que muestran la temperatura en funcion de la proporcion del area del paso de oxigeno.
La figura 12 es una grafica de los resultados de modelado que muestran la temperatura de la llama en funcion de la distancia desde la salida de la tobera del quemador.
La figura 13 es una grafica de los resultados de modelado que muestran la segunda desviacion de velocidad de oxidante en funcion de la segunda proporcion del area del paso de oxidante.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Los articulos “un(o)” y “una” tal como se utilizan en el presente documento significan uno o varios cuando se aplican a cualquier caracteristica en las realizaciones de la presente invencion descritas en la memoria descriptiva y las reivindicaciones. La utilizacion de “un(o)” y “una” no limita el significado a una sola caracteristica a menos que tal limite se establezca especificamente. El articulo “el/la” que precede a sustantivos en singular o en plural o a frases nominales indica una caracteristica especificada particular o caracteristicas especificadas particulares y pueden tener una connotacion singular o plural dependiendo del contexto en el que se utiliza. El adjetivo “cualquiera” significa uno, alguno, o todos indiscriminadamente de cualquier cantidad.
La expresion “al menos una porcion” significa “una porcion o todo”.
Con fines de simplicidad y claridad, se omiten las descripciones detalladas de dispositivos, circuitos, y
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
procedimientos bien conocidos para no hacer poco clara la descripcion de la presente invencion con detalles innecesarios.
La presente invencion se refiere a un quemador. Mas concretamente la invencion se refiere a un quemador de oxigeno-combustible utilizado para sustituir la combustion aire-combustible por la combustion oxigeno-combustible en un horno de vidrio que tiene orificios del recuperador aire-combustible. El quemador es particularmente adecuado para convertir al menos parcialmente un orificio de recuperador de combustion aire-combustible en una combustion oxigeno-combustible. Debido a la forma geometrica del orificio del recuperador del horno de vidrio, el quemador utilizado para tal conversion requiere un cambio brusco o marcado en la direccion del flujo en una posicion proxima a la tobera de descarga.
El orificio del recuperador se puede convertir temporalmente de combustion aire-combustible a combustion oxigeno-combustible en los casos en los que el recuperador asociado necesita ser reparado. El orificio del recuperador se puede convertir a la combustion oxigeno-combustible en una base mas permanente para aprovechar los beneficios del oxigeno-combustible. Varios de los orificios mas proximos al extremo del grupo del horno de vidrio se pueden convertir a la combustion oxigeno-combustible para mejorar la fusion en grupos mediante las llamas de oxigeno-combustible.
Haciendo referencia ahora a los dibujos, en los que numeros de referencia similares se refieren a elementos similares en la totalidad de las diversas vistas, la figura 1 muestra un quemador -1- segun una realizacion de la invencion y la figura 2 muestra una parte de un horno -100- que comprende el cuello -105- del orificio del recuperador y un quemador -101 - instalado en el cuello del orificio del recuperador.
Los quemadores -1- y -101- comprenden una primera camisa -10- de fluido de refrigeracion, un primer conducto -20- de oxidante y un conducto -40- de combustible. La primera camisa -10- de fluido de refrigeracion tiene un diametro exterior equivalente, D, que para el caso de una seccion transversal circular es igual al diametro exterior y para una seccion transversal no circular es igual a 4 veces el area de la seccion transversal exterior de la camisa dividida por el perimetro exterior. El primer conducto -20- de oxidante esta dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la primera camisa -10- de fluido de refrigeracion y el conducto -40- de combustible esta dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior del primer conducto -20- de oxidante. En general, concentrico significa que el eje de un conducto es comun con el eje del otro conducto o se desplaza ligeramente hasta 2 cm.
Una camisa de fluido de refrigeracion es una cubierta o envoltura exterior, como una cubierta que encierra un espacio intermedio a traves del cual puede circular un fluido de control de la temperatura. El fluido de refrigeracion puede ser agua. Las camisas del fluido de refrigeracion, por ejemplo camisas enfriadas con agua, son bien conocidas en la tecnica de los quemadores y de la combustion. Los detalles en el diseno de la camisa de fluido de refrigeracion no son criticos para la invencion. Un experto en la tecnica puede seleccionar y/o modificar facilmente un diseno de camisa de fluido de refrigeracion apropiado de entre los conocidos en la tecnica.
La primera camisa -10- de fluido de refrigeracion se precisa para impedir el recalentamiento del quemador. Cuando el quemador se introduce en un orificio del recuperador del horno de vidrio, el calor del horno irradiara a la superficie exterior del quemador. Cuando el quemador esta en funcionamiento, la llama que proviene del quemador irradiara de retorno al quemador. El agua u otro fluido de refrigeracion se introduce en la entrada 11 de la primera camisa -10- de fluido de refrigeracion y fluye alrededor del primer conducto -20- de oxidante incluyendo el area alrededor del extremo de descarga de combustible y oxidante. El agua u otro fluido de refrigeracion se evacua por la salida -13- de la primera camisa -10- de fluido de refrigeracion.
Tal como se utiliza en el presente documento, un conducto es cualquier medio para conducir un fluido, por ejemplo, una tuberia, un tubo, una conduccion o similar. La primera camisa -10- de fluido de refrigeracion, el primer conducto -20- de oxidante y el conducto -40- de combustible estan fabricados de un metal, preferentemente acero inoxidable. Un experto en la tecnica puede seleccionar facilmente materiales adecuados de construccion para el quemador.
El conducto de oxidante es un conducto previsto para conducir un gas oxidante y conectarse a un suministro de oxidante. Un gas oxidante es cualquier gas que contenga mas del 21% en volumen de oxigeno. El oxigeno de calidad industrial que tiene una concentracion de oxigeno del 80% en volumen al 100% en volumen es un gas oxidante, como lo es el chorro de evacuacion de gases de una planta de nitrogeno, que tiene normalmente una concentracion de oxigeno del 60% en volumen al 80% en volumen. Los oxidantes pueden ser asimismo mezclas de aire y oxigeno industrial o un chorro de evacuacion que tenga una concentracion de oxigeno entre el 22% en volumen y el 28% en volumen o entre el 28% en volumen y el 60% en volumen. El conducto de oxidante puede ser disenado para conducir oxigeno de calidad industrial utilizando materiales compatibles con dicho oxigeno de calidad industrial.
El conducto de combustible es un conducto previsto para conducir un combustible. El conducto de combustible esta conectado a un suministro de combustible. El combustible puede ser un combustible gaseoso, por ejemplo, gas natural, propano u otros hidrocarburos gaseosos, hidrogeno, monoxido de carbono o combinaciones de los mismos.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
O el combustible puede ser liquido, por ejemplo, aceite destilado n.° 1, aceite combustible destilado n.° 2, combustible diesel, biodiesel y sus subproductos (tales como glicerol), queroseno, aceite combustible n.° 4, aceite residual n.° 5, aceite combustible residual n.° 6, aceite combustible-tipo Bunker-C y otros conocidos por un experto habitual en la tecnica. El combustible liquido puede ser atomizado mediante cualquiera de varios medios conocidos por un experto en la tecnica.
El primer conducto -20- de oxidante tiene una entrada -21- para recibir un gas oxidante, una primera porcion -23- mas abajo de la entrada -21-, una porcion curvada -25- mas abajo de la primera porcion -23- y una segunda porcion -27- mas abajo de la porcion curvada -25-. El gas oxidante puede ser oxigeno de calidad industrial.
Hacia arriba y hacia abajo se definen relativos al flujo previsto de un fluido, por ejemplo el combustible u oxidante. El extremo de mas arriba corresponde al extremo mas proximo a la entrada en la que se introduce fluido en el dispositivo y el extremo de mas abajo corresponde al extremo de la tobera o salida por la que el fluido sale del dispositivo.
La entrada -21- puede incluir un accesorio de desconexion rapida u otro accesorio adecuado para conectar el suministro de gas oxidante al quemador.
La primera porcion -23- puede tener una seccion transversal circular. La primera porcion -23- puede tener asimismo separadores para garantizar la concentricidad entre la primera porcion del primer conducto de oxidante y la primera porcion del conducto de combustible.
La porcion curvada -25- tiene un angulo de curvatura, a, de 45° a 120°. El angulo de curvatura, a, puede ser de 60° a 110°. El angulo de curvatura se define como el angulo suplementario del angulo incluido. El angulo incluido, que es menor de 180° es el angulo definido entre una parte recta de la primera porcion de un conducto y una parte recta de la segunda porcion del conducto. El angulo incluido en el caso del primer conducto de oxidante se define entre una parte recta de la primera porcion del primer conducto de oxidante y una parte recta de la segunda porcion del primer conducto de oxidante. El angulo de curvatura, a, tal como se muestra en la figura 1 y la figura 2, es el angulo suplementario al angulo incluido en el caso del primer conducto de oxidante. Un angulo de curvatura de 0° corresponde a no estar curvado, es decir recto. Un angulo de curvatura de 180° corresponde a una curva “en forma de U”.
La curva en la porcion curvada -25- puede ser suave, teniendo un radio tal como se muestra en la figura 2, o, tal como se muestra en la figura 1, la curva puede tener un angulo brusco.
La segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante termina en un extremo -29- de salida y tiene un eje del flujo -22- y una longitud, L. La segunda porcion -27- puede tener una seccion transversal circular.
El eje del flujo corresponde a una linea en la direccion del flujo que pasa a traves de los centros geometricos de las partes transversales del conducto, en el que las partes transversales estan situadas en planos perpendiculares a la linea. El eje del flujo puede incluir una linea curvada. En el caso de este quemador, al menos una parte del eje del flujo es una parte en linea recta.
Para los fines de esta invencion, la longitud, L, de la segunda porcion del primer conducto de oxidante corresponde a la parte en linea recta del eje del flujo entre la porcion curvada y el extremo de salida tal como se muestra en la figura 1 y la figura 2.
El conducto -40- de combustible tiene una entrada -41- para recibir un combustible, una primera porcion -43- mas abajo de la entrada -41-, una porcion curvada -45- y una segunda porcion -47-.
La entrada -41- puede incluir un accesorio de desconexion rapida u otro accesorio adecuado para conectar el suministro de combustible al quemador.
Tal como se muestra en la figura 1 y la figura 2, la primera porcion -43- del conducto -40- de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la primera porcion -23- del primer conducto -20- de oxidante. La porcion curvada -45- esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la porcion curvada -25-.
La curva en la porcion curvada -45- puede ser suave, teniendo un radio tal como se muestra en la figura 2, o tiene un angulo brusco tal como se muestra en la figura 1. La porcion curvada -45- sera compatible con la porcion curvada -25-.
La segunda porcion -47- termina en un extremo -49- de salida y tiene un eje del flujo -42-. La segunda porcion -47- esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. La segunda porcion -47- puede tener una seccion transversal circular.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
La segunda porcion -47- del conducto de combustible puede ser concentrica con la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante tal que el eje del flujo -42- y el eje del flujo -22- son ambos rectos y son sustancialmente paralelos o sustancialmente coincidentes. El eje del flujo -42- y el eje del flujo -22- son coincidentes en la figura 1.
El termino “paralelo” significa que se extienden en la misma direccion, equidistantes por todas partes y que no se juntan. Con respecto al eje del flujo -22- y al eje del flujo -42-, sustancialmente paralelos significa separados con una distancia maxima de separacion de 2 cm.
El termino “coincidente” significa ocupar el mismo espacio o ubicacion. Con respecto al eje del flujo -22- y al eje del flujo -42-, sustancialmente coincidente significa coincidentes en el interior de 2 cm.
El paso -50- de oxidante esta formado o definido entre la segunda porcion -47- del conducto -40- de combustible y la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. El paso -50- de oxidante tiene una parte -51- de entrada, una parte -53- de transicion mas abajo de la parte -51- de entrada, y una parte -55- de salida mas abajo de la parte -53- de transicion. La parte -51- de entrada tiene un area de la seccion transversal, A. La parte -55- de salida tiene un area de la seccion transversal, A0. El area de la seccion transversal, Ao esta disenada para proporcionar una velocidad de gas oxidante desde aproximadamente unos 30 m/s hasta aproximadamente 150 m/s a los caudales disenados de gas oxidante.
El cambio brusco o marcado en la primera direccion del flujo de oxidante en una posicion proxima a la tobera de descarga se puede describir mediante la proporcion entre la longitud, L, y el diametro exterior equivalente, D, de la primera camisa de fluido de refrigeracion. Es deseable maximizar la proporcion L/D para minimizar la no uniformidad en el perfil de velocidad del primer oxidante en la tobera de descarga, puesto que la no uniformidad de la velocidad es una causa primaria de combustion acelerada cerca de la tobera de descarga, lo cual puede conducir a temperaturas de la llama excesivamente altas y, por consiguiente, danos o fallo del quemador. Sin embargo, una longitud corta es necesaria para el acoplamiento del conjunto del quemador en el espacio limitado disponible en un orificio de un recuperador de un horno de vidrio. Se estima que la L/D maxima admisible en base al espacio disponible es de 7,0.
Una solucion para lograr una distribucion del flujo aceptable con una L/D baja es colocar un dispositivo de mezclado estatico en la segunda porcion del primer paso de oxidante. Un dispositivo de mezclado estatico es una obstruccion estacionaria colocada en el campo del flujo que favorece la redistribucion del flujo, al aumentar localmente la mezcla y la difusion turbulentos, en general, a traves de la dispersion de la presion estatica. Un ejemplo corriente de un dispositivo de mezclado estatico es una placa perforada; es decir, una placa que cruza la seccion transversal del flujo que comprende una pluralidad de agujeros pequenos distribuidos en toda la placa, y a traves de los cuales debe pasar el flujo.
Desafortunadamente, tanto la dispersion de la presion estatica como la generacion de un mezclado/difusion turbulentos son caracteristicas de flujo indeseables en este caso. En primer lugar, el aumento de la turbulencia del chorro de oxidante da como resultado un mezclado mas rapido entre oxidante y combustible, lo cual conduce a un agravamiento del problema de una temperatura de la llama excesivamente elevada cerca de la tobera del quemador. En segundo lugar, la dispersion de la presion estatica conduce a un mayor requerimiento de presion de suministro del oxidante. En algunos casos, el mayor requerimiento de presion de suministro no se puede cumplir, mientras que en otros casos anade costes de inversion y de funcionamiento considerables a la instalacion debido a la necesidad de instalar y hacer funcionar uno o varios compresores de gas. Para la realizacion de este quemador que comprende un segundo conducto de oxidante en relacion de espacio fija con el primer conducto de oxidante:
0,8 < L < 7 . En el caso de realizaciones del quemador en las que no se incluye el segundo conducto de oxidante:
1,4 < — < 7 . D
Una caracteristica del presente quemador que tiende a distribuir uniformemente y a enderezar el flujo del oxidante e impedir la mezcla prematura del oxidante y el combustible en el horno sin las caracteristicas indeseables mencionadas anteriormente de un dispositivo de mezclado estatico es la reduccion del area de la seccion transversal del paso -50- de oxidante de la parte -51- de entrada a la parte -55- de salida. Esta reduccion del area de la seccion transversal del primer paso de oxidante se logra a traves de la parte -53- de transicion. Para la mejora de la distribucion del primer flujo de oxidante, es deseable maximizar la proporcion del area de entrada a salida de la seccion transversal. Sin embargo, para una primera velocidad de oxidante determinada en la salida, un aumento de a
la proporcion -A- requiere un aumento del tamano del area de la seccion transversal de entrada. Los limites practicos del valor superior de esta proporcion debido a la limitacion del espacio disponible en el orificio del
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
A
a
recuperador son —- = 5 En el caso de este quemador 1,3 < — < 5 .
A
A
Tal como se muestra en la figura 1, la figura 2 y a mayor escala en la figura 3, la segunda porcion -27- del conducto -20- de oxidante puede tener una superficie interior convexa en la parte -53- de transicion del paso -50- de oxidante.
Tal como se muestra en la figura 1, la figura 2 y a mayor escala en la figura 3, la segunda porcion -47- del conducto -40- de combustible puede tener una superficie exterior concava en la parte -53- de transicion del paso -50- de oxidante. Estas curvaturas convexas y concavas ayudan a enderezar el flujo del oxidante de modo que se alinea con el eje -22- del primer chorro de oxidante a medida que se aproxima al extremo -29- de salida, mientras que disminuye simultaneamente la generacion y la difusion de remolinos turbulentos.
La segunda porcion -47- del conducto -40- de combustible forma o define un paso -60- de combustible. El paso -60- de combustible tiene una parte -61- de entrada, una parte -63- de transicion mas abajo de la parte -61- de entrada, y una parte -65- de salida mas abajo de la parte -63- de transicion. La parte de entrada de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, Am, y la parte de salida de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal rea, Af0.
De manera similar a la segunda porcion del primer conducto de oxidante, una caracteristica del quemador que tiende a enderezar el flujo de combustible y a impedir la mezcla turbulenta acelerada del oxidante y el combustible en el horno es la reduccion del area de la seccion transversal del paso -60- de combustible desde la parte -61- de entrada hasta la parte -65- de salida. Para la mejora de la distribucion del flujo de combustible, es deseable maximizar la proporcion de entrada a salida del area de la seccion transversal. Sin embargo, para una velocidad de
combustible determinada en la salida, un aumento de la proporcion
An
Af0
requiere un aumento del tamano del area
de la seccion transversal de entrada. Los limites practicos del valor superior de esta proporcion debido a la limitacion
del espacio disponible en el orificio del recuperador son
Al
Afo
igual a 5. En el caso de este quemador,
A a A a
1,0 <—— < 5 o 1,37 <—— < 5 . Basandose en las velocidades de combustion esperadas (es decir, caudales de
A
fo
A
fo
combustible), el area de la seccion transversal Aoo se disena para proporcionar una velocidad de combustible desde aproximadamente 25 m/s hasta aproximadamente 150 m/s.
Tal como se muestra en la figura 1 y en la figura 2, la segunda porcion -47- del conducto -40- de combustible puede tener una superficie interior concava y una superficie interior convexa en la parte de transicion del paso -60- de combustible en la que la superficie interior convexa esta mas abajo de la superficie interior concava del conducto -60- de combustible. Esta forma geometrica ayuda a realinear el flujo en la superficie interior del paso de combustible con el eje -42- del flujo mientras que se minimiza la generacion y difusion de remolinos turbulentos en el chorro de combustible. Al alinear los flujos del primer oxidante y el combustible a lo largo de sus ejes respectivos y al minimizar simultaneamente la generacion y difusion de remolinos turbulentos, estas caracteristicas actuan para reducir la velocidad de mezclado del combustible y el oxidante a medida que se descargan en el horno. Tal como se establecio previamente, esto es importante para proteger los componentes metalicos del quemador frente a danos a alta temperatura provocados por una llama de oxigeno/combustible corta.
Tal como se muestra en la figura 1 y la figura 2, el extremo -29- de salida de la segunda porcion -27- del conducto -20- de oxidante sobresale del extremo -49- de salida de la segunda porcion -47- del conducto -40- de combustible. El extremo -29- de salida puede sobresalir del extremo -49- de salida de 0,2 cm a 3 cm. Sobresalir significa que avanza o se extiende hacia afuera de la superficie o contexto circundante.
El extremo -49- de salida del conducto -40- de combustible esta hundido desde el extremo -29- de salida del conducto -20- de oxidante para proteger el extremo -49- de salida de la radiacion de la llama que proviene del quemador y del entorno de alta temperatura del horno de vidrio. El conducto -20- de oxidante que incluye el extremo -29- de salida del conducto de oxidante esta refrigerado por el fluido de refrigeracion que circula a traves de la primera camisa -10- de fluido de refrigeracion.
Por otra parte, el conducto -40- de combustible es enfriado por el flujo de oxidante que pasa a traves del paso de oxidante. Al hundir el extremo -49- de salida, el extremo -49- de salida estara expuesto a menos radiacion termica y se puede evitar el recalentamiento. En caso de que el extremo -49- de salida este demasiado hundido, el combustible y el oxidante pueden reaccionar en el interior del quemador provocando danos al quemador debido al recalentamiento del conducto de oxidante. Un equilibrio apropiado entre la proteccion del extremo -49- de salida frente a la radiacion termica y la mezcla de combustible y oxidante esta proporcionado por el extremo -29- de salida que sobresale del extremo -49- de salida de 0,2 cm a 3 cm.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
El quemador puede incluir asimismo el escalonamiento del oxidante. El escalonamiento del oxidante en el contexto de esta invencion significa retener una porcion del oxigeno de combustion del primer chorro de oxidante para que se pueda suministrar en un “escalon” posterior de la combustion del combustible. Tal como se muestra en la figura 1, la lanza escalonada puede formar parte del horno colocada en el orificio del recuperador, denominada lanza en el orificio, y/o tal como se muestra en la figura 2, la lanza escalonada puede ser una pieza independiente colocada por debajo del orificio del recuperador, denominada lanza de orificio inferior. Se descubrio que el escalonamiento del oxidante proporciona un medio para ajustar la llama en el horno.
El oxigeno escalonado actua para disminuir la temperatura pico de la llama de oxigeno/combustible. La disminucion de la temperatura pico reduce el riesgo de danos al quemador debido a la alta temperatura y asimismo reduce la velocidad de mezclado de combustible y oxidante. La reduccion de la velocidad de mezclado de combustible y oxidante ralentiza el proceso de combustion dando como resultado por tanto una llama mas larga, que es mas deseable. Por otra parte, el escalonamiento crea una region de combustion rica en combustible o pobre en oxigeno en el interior de la llama. La region rica en combustible favorece la formacion de particulas solidas ricas en carbono (hollin), lo que potencia la transferencia de calor radiante desde la llama a la masa fundida del vidrio, y conduce asimismo a menores emisiones de NOx. Existe un limite practico, sin embargo, para el grado de escalonamiento que se puede emplear con seguridad y eficazmente. Este limite se ajustara normalmente por la cantidad de movimiento de la llama, que disminuye a medida que aumenta la cantidad de oxigeno en el escalonado. Si la cantidad de movimiento de la llama es demasiado baja, la llama sera inestable en el horno y podria, por ejemplo, elevarse hacia la boveda del horno (techo) donde podria danar el refractario de la boveda.
La colocacion y orientacion escalonada del oxigeno afecta asimismo a la llama del quemador. El oxidante escalonado que se introduce inmediatamente por debajo de la primera tobera de oxidante/combustible tiene determinadas caracteristicas deseables. Por ejemplo, el oxidante escalonado introducido en esta ubicacion se mezcla con el combustible justo mas abajo de la tobera del quemador, y por consiguiente no se diluye sustancialmente por el gas del horno. Por otra parte, el escalonamiento en esta ubicacion es eficaz para potenciar la combustion de la porcion inferior de la llama del quemador principal. Esto da como resultado que la energia radiante de la llama se dirija preferentemente hacia abajo, hacia la masa fundida del vidrio, mas que hacia arriba hacia la boveda. Si existe inquietud por el recalentamiento del orificio, la tobera de escalonado en el orificio se puede dirigir hacia abajo, hacia el suelo del orificio, donde proporciona un enfriamiento por conveccion de esta superficie. Alternativamente, si existe insuficiente espacio disponible para alojar tanto la tobera del quemador como la lanza en el interior del orificio, entonces es admisible ubicar una tobera de oxigeno escalonado en cualquier lugar, por ejemplo, bajo el orificio pero por encima de la superficie de la masa fundida del vidrio.
La inclusion del escalonamiento del oxidante tanto bajo el orificio del recuperador como en el interior del orificio del recuperador proporciona al operador flexibilidad que afecta al calentamiento de la masa fundida del vidrio, recalentamiento del refractario del orificio del recuperador y a emisiones contaminantes tales como NOx. Se llevaron a cabo experimentos en un horno de ensayo de un solo orificio. Los resultados experimentales verificaron el efecto sustancial de la cantidad y ubicacion del escalonamiento del oxidante en la transferencia de calor, la temperatura del orificio y la temperatura del techo del horno. La figura 5, por ejemplo, indica que se logra un flujo calorifico mucho mayor hacia el suelo del horno con el 80% de escalonamiento del oxidante en el orificio en comparacion con “sin escalonamiento” y el 80% de casos de escalonamiento de orificio inferior. Aunque estos datos proporcionan tendencias representativas, la cantidad y ubicacion optimas del escalonamiento del oxidante se determina mejor basandose en la forma geometrica del horno y las condiciones de funcionamiento especificas.
Tal como se muestra en la figura 2, el quemador puede incluir una lanza -90- de escalonamiento del oxidante de orificio inferior que se coloca en una relacion fija en el espacio en la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. La lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior se utiliza para dirigir un chorro de oxidante bajo una llama producida mediante la introduccion de combustible y oxidante del conducto -40- de combustible y del primer conducto -20- de oxidante, respectivamente.
La lanza -90- de escalonamiento del oxidante de orificio inferior tiene una entrada -91- para recibir el primer gas oxidante o un segundo gas oxidante. El primer gas oxidante y el segundo gas oxidante pueden ser oxigeno de calidad industrial de las mismas o diferentes fuentes.
La entrada -91- puede incluir asimismo un accesorio de desconexion rapida u otro accesorio adecuado para conectar el suministro de gas oxidante en la lanza -90- de escalonamiento del oxidante de orificio inferior.
La lanza -90- de escalonamiento del oxidante de orificio inferior puede no necesitar una camisa de fluido de refrigeracion. El flujo del gas oxidante a traves de la lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior puede ser suficiente para mantener fria la tobera de la lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior. El gas oxidante introducido en la lanza -90- de escalonamiento del oxidante de orificio inferior sera, en general, el mismo gas oxidante que se introduce en el primer conducto -20- de oxidante, por ejemplo oxigeno de calidad industrial. Sin embargo, el gas oxidante introducido en la lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior puede ser un gas oxidante diferente que el introducido en el primer conducto -20- de oxidante.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
El quemador puede incluir una lanza de escalonamiento del oxidante en el orificio mostrado en la figura 1 como el segundo conducto -80- de oxidante que se coloca en una relacion fija en el espacio con la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. El segundo conducto -80- de oxidante se utiliza para dirigir un chorro de oxidante por debajo de la llama.
Puesto que la lanza de escalonamiento del oxidante en el orificio esta en el orificio del recuperador, requerira refrigeracion. El segundo conducto -80- de oxidante puede estar dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la primera camisa -10- de fluido de refrigeracion o en una segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion opcional tal como se muestra en la figura 1.
El quemador puede comprender ademas una segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion opcional y un segundo conducto -80- de oxidante dispuesto en una relacion fija en el espacio y, en general, de manera concentrica en el interior de la segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion. La segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion puede ser precisa para impedir que la tobera de la lanza de oxidante se recaliente debido al calentamiento por radiacion de la llama y el horno. El agua u otro fluido de refrigeracion es introducido en la entrada -71- de la segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion opcional y fluye rodeando el segundo conducto -80- de oxidante que incluye el area alrededor del extremo de descarga de oxidante. El agua u otro fluido de refrigeracion es evacuado por la salida -73- de la segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion opcional.
El segundo conducto -80- de oxidante tiene una entrada -81 - para recibir el gas oxidante o un segundo gas oxidante, una primera porcion -83- mas abajo de la entrada -81-, una porcion curvada -85- mas abajo de la primera porcion -83-, y una segunda porcion -87- mas abajo de la porcion curvada -85-. El primer gas oxidante y el segundo gas oxidante pueden ser oxigeno de calidad industrial de las mismas o diferentes fuentes.
La entrada -81- puede incluir un accesorio de desconexion rapida u otro accesorio adecuado para conectar el suministro de gas oxidante a la lanza de oxidante para el quemador.
La primera porcion -83- puede tener una seccion transversal circular, y puede estar unida fisicamente, por ejemplo mediante soldadura, a la superficie exterior de la primera porcion de la primera tobera de oxidante.
La porcion curvada -85- tiene un angulo de curvatura, $ en el que el angulo de curvatura, p, esta en el interior de 15° del angulo de curvatura, a. El angulo de curvatura, a, puede ser de 60° a 110°. La segunda porcion -87- del segundo conducto -80- de oxidante puede estar inclinada hacia arriba o hacia abajo en relacion con la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. El angulo incluido del segundo conducto -80- de oxidante esta definido entre una parte recta de la primera porcion -81- del segundo conducto -80- de oxidante y una parte recta de la segunda porcion -85- del segundo conducto -80- de oxidante. El angulo de curvatura, p, es el angulo suplementario al angulo incluido del segundo conducto de oxidante.
La segunda porcion -87- del segundo conducto -80- de oxidante termina en una tobera y tiene un eje del flujo -82-. La segunda porcion -87- del segundo conducto -80- de oxidante esta en una relacion fija en el espacio la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. La segunda camisa -70- de fluido de refrigeracion opcional y el segundo conducto -80- de oxidante pueden estar soldados juntos o unidos de otra manera como parte del conjunto del quemador.
El angulo de curvatura, p, puede estar en el interior de 2° del angulo de curvatura, a. El eje del flujo -82- de la segunda porcion -87- del segundo conducto -80- de oxidante puede ser sustancialmente paralelo al eje del flujo -22- de la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante. Con respecto al eje del flujo -82- y al eje del flujo -22-, sustancialmente paralelo significa separado y equidistante en el interior del 10% de la distancia de separacion maxima.
Tal como se muestra en la figura 1, el extremo -29- de salida de la segunda porcion -27- del primer conducto de oxidante puede sobresalir de la salida -89- de la tobera. El extremo -29- de salida puede sobresalir de la salida -89- de 0,2 cm a 3 cm. La tobera del segundo conducto -80- de oxidante puede estar hundida con respecto al extremo de salida -29- de la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante para permitir que la primera camisa de refrigeracion y/o la segunda porcion -27- del primer conducto -20- de oxidante protejan la tobera frente a la radiacion de la llama y/o del horno.
Tal como se muestra en la figura 1 y con detalle en la figura 4, la tobera de la segunda porcion -87- del segundo conducto -80- de oxidante tiene una entrada -88-, una parte de transicion y una salida -89-. La entrada -88- puede tener una seccion transversal circular y un area de la seccion transversal, An, y la salida -89- tiene una seccion transversal no circular y un area de la seccion transversal, Ano. La salida -89- de la tobera puede tener una proporcion de anchura a altura (“W” a “H”) de 1,5 a 5. Para los fines de esta invencion, la proporcion de anchura a altura de la salida -89- se mide en la cara de salida de la tobera. La anchura es la dimension mas grande en relacion con la altura.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
En el caso de esta tobera, —— puede ser de 1,25 a 5. Una proporcion del area mayor que el limite inferior
A
Ano
establecido es esencial para minimizar la no uniformidad del flujo de oxidante en la salida de la tobera, lo cual puede conducir a flujo separado o inverso, aumentando el riesgo de corrosion de la tobera, el taponamiento y fallos prematuros. Una proporcion del area menor del limite superior es necesaria para evitar o una segunda velocidad de oxidante excesivamente alta o un segundo conducto de oxidante inaceptablemente grande.
La tobera puede tener una altura convergente y una anchura divergente. La altura convergente ayuda a reducir el area de la seccion transversal, lo que es necesario para impedir la separacion del flujo. La anchura divergente aumenta la amplitud del chorro secundario emergente, de modo que es mas ancho que la llama creada por el primer oxidante y el combustible. Esto aumenta la uniformidad de la mezcla debajo del oxidante escalonado y en el lado inferior de la llama. La segunda porcion -87- del segundo conducto de oxidante -80- puede tener una superficie interior convexa proxima a la salida -89-. La superficie interior convexa permite una transicion rapida y suave del flujo de salida a una orientacion que es paralela al eje del flujo principal -82-. El semiangulo de la divergencia en la dimension de la anchura puede ser de 5° a 15°.
Las toberas se describen comunmente como “convergentes” (se reducen desde una dimension ancha hasta una dimension menor en la direccion del flujo) o “divergentes” (se expanden desde una dimension menor hasta una dimension mayor en la direccion del flujo). La tobera “de Laval” tiene una parte convergente seguida por una parte divergente y se denomina frecuentemente tobera convergente-divergente.
Las toberas convergentes aceleran los fluidos subsonicos. Si la proporcion de presion de la tobera es suficientemente alta, el flujo alcanzara la velocidad del sonido en el punto mas estrecho (es decir, la garganta de la tobera). En esta situacion, la tobera se dice que esta “estrangulada”.
La tobera descrita en el presente documento difiere de la tobera del tipo “de Laval”. La tobera del tipo “de Laval” tiene una parte convergente seguida por- una parte divergente como se contrasta con la tobera instantanea que tiene una anchura divergente y una altura convergente.
El quemador esta disenado para ser introducido en un orificio del recuperador tal como se muestra en la figura 2. Se debe recortar un agujero en el cuello del orificio del recuperador para proporcionar un lugar para introducir el quemador. El agujero se puede cortar en la parte superior, la parte inferior (solera) o en los lados del cuello del orificio. Preferentemente, el agujero se recorta en la parte inferior o suelo del cuello del orificio.
El quemador puede ser introducido en el orificio a traves de un agujero cortado en la parte inferior del cuello del orificio, preferentemente en una orientacion sustancialmente vertical tal como se muestra en la figura 2. El quemador puede incluir una placa de montaje -95- para posicionar y unir el quemador al cuello del orificio. El quemador descarga el combustible y el gas oxidante en un plano sustancialmente horizontal en el espacio de combustion del horno.
El quemador puede funcionar en una diversidad de formas para controlar la temperatura y distribucion del flujo calorifico, tanto en el tanque del vidrio como en el orificio del recuperador. Esto se logra principalmente a traves del ajuste en la distribucion del oxigeno, cuya utilizacion estrategica proporciona la adaptacion de la longitud, la luminosidad y la estabilidad de la llama, y puede contribuir asimismo a la refrigeracion de la superficie del orificio.
El quemador puede funcionar introduciendo un combustible gaseoso a traves del conducto -40- de combustible, introduciendo uno o mas chorros de gas oxidante a traves de dos o mas del primer conducto -20- de gas oxidante, la lanza de escalonamiento del oxidante en el orificio (segundo conducto -80- de oxidante), y la lanza -90- de escalonamiento del oxidante del orificio inferior.
La presente invencion se refiere asimismo a un horno -100-, una porcion del cual se muestra en la figura 2. Aunque el horno segun la presente invencion se muestra con el quemador segun la figura 2, el quemador segun la figura 1 puede ser utilizado asimismo junto con el horno y un experto en la tecnica puede adaptar claramente la descripcion en el caso del quemador segun la figura 1. El horno comprende un recuperador -125-, una camara -135- de combustion del horno y un cuello -105- del orificio del recuperador que conecta el recuperador -125- a la camara -135- de combustion del horno. El cuello -105- del orificio del recuperador define un orificio -110- y una abertura -115- del orificio en la pared -120- del horno -100-. El horno puede comprender asimismo un quemador segun las caracteristicas descritas anteriormente. El quemador penetra a traves del cuello -105- del orificio del recuperador y en el orificio -110- y el quemador esta dispuesto para dirigir un combustible y un oxidante al interior del horno -100-.
El cuello -105- del orificio del recuperador comprende el arco del orificio (parte superior), la solera del orificio (parte inferior) y las paredes laterales, construidos normalmente de ladrillo refractario. El cuello del orificio del recuperador define un paso u orificio entre el recuperador y la abertura del orificio o boca del orificio del horno. Tal como se utiliza en este documento, el orificio es el conducto de paso y se distingue de la abertura del orificio.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
El recuperador es un dispositivo de recuperacion de calor que utiliza la transferencia recuperativa de calor y es bien conocido en la tecnica. Se pueden encontrar detalles de los recuperadores en “Glass Furnaces, Design Construction and Operation,” (Hornos del vidrio, diseno constructivo y funcionamiento,), de Wolfgang Trier, traducido por K. L. Loewenstein, Society of Glass Technology, Sheffield, R.U., 2000, y “Manual de fabricacion del vidrio”, 3a ed. vols. 1 y 2, de Fay Tooley (ed.), Ashlee Publishing Co. (Nueva York), 1984.
Tal como se utiliza en el presente documento, el cuello del orificio del recuperador es cualquier conducto que sirve o sirvio previamente para transferir aire de combustion desde un recuperador a un espacio de combustion en un horno.
El horno puede incluir un quemador que incluye cualquiera o todas las caracteristicas descritas anteriormente para el quemador.
En una realizacion, tal como se muestra en la figura 1, se puede utilizar una lanza de escalonamiento en el orificio en el horno.
En una realizacion, tal como se muestra en la figura 2, el conducto -90- penetra en la pared -120- del horno en una posicion por debajo de la abertura -115- del orificio y esta dispuesto para dirigir el oxidante al interior del horno. El conducto -90- es una lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior. El conducto esta “por debajo” de la abertura del orificio si una linea trazada verticalmente hacia arriba de la lanza corta el orificio. Verticalmente significa derecho hacia arriba o hacia abajo, en vertical.
El horno puede incluir tanto una lanza de escalonamiento del oxidante en el orificio como una lanza de escalonamiento del oxidante de orificio inferior.
El horno comprende asimismo la cubeta del tanque de fusion dispuesta por debajo y contigua a la camara de combustion del horno, un extremo de carga para introducir componentes para la formacion del vidrio en la cubeta del tanque de fusion, y un extremo de descarga para retirar un producto del vidrio de la cubeta del tanque de fusion. Los componentes para la formacion del vidrio se cargan en la cubeta del tanque de fusion del horno y se funden por el calor de las llamas de combustion en la camara de combustion del horno. El vidrio fundido fluye desde el extremo de carga hasta el extremo de descarga y se retira como un producto del horno. El vidrio fundido retirado se somete a operaciones de conformacion para transformar el vidrio en laminas del vidrio, fibra del vidrio, recipientes u otro producto que se desee.
El horno comprende asimismo un orificio de extraccion en una pared del horno para retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno. El combustible y el oxidante se introducen a traves del quemador en el cuello del orificio del recuperador en la camara de combustion del horno, realizandose la combustion para formar una llama y transferir calor a los ingredientes de formacion del vidrio y al vidrio fundido. Los productos de combustion de la reaccion del combustible y oxidante se retiran de la camara de combustion del horno a traves del orificio de extraccion.
La presente invencion se refiere asimismo a un procedimiento de calentamiento de un horno, por ejemplo durante una reparacion del recuperador. Despues de hacer funcionar un horno durante un periodo de tiempo prolongado, el relleno de la transferencia de calor o del recuperador de calor se pueden obturar con componentes volatiles condensados del horno de vidrio o se degradan de otro modo. El horno todavia requiere seguir siendo calentado cuando un orificio de aire-combustible es puesto fuera de servicio para reparar el recuperador. Preferentemente se proporciona suficiente calor para mantener la produccion del vidrio.
El procedimiento se puede utilizar asimismo para prolongar la duracion de un horno sin reparar el recuperador degradado o para aumentar la velocidad de produccion de un horno existente.
El quemador descrito anteriormente puede ser utilizado en un procedimiento de calentamiento de un horno mientras se repara un recuperador, para prolongar la duracion del horno sin reparar el recuperador y/o para aumentar la velocidad de produccion de un horno existente.
El procedimiento de calentamiento del horno comprende obstruir el flujo de aire al orificio, finalizar el flujo de combustible a un quemador de aire-combustible asociado con el orificio, instalar un quemador tal como el descrito anteriormente de modo que el quemador penetre a traves del cuello del orificio del recuperador y en el interior del orificio, hacer pasar un refrigerante a traves de la primera camisa de fluido de refrigeracion, introducir un primer gas oxidante en el horno a traves del primer conducto de oxidante, e introducir el mismo combustible que se utilizo durante la operacion de aire-combustible anterior o un combustible diferente en el horno a traves del conducto de combustible.
El procedimiento comprende asimismo quemar el combustible seleccionado con el primer gas oxidante para formar los productos de combustion y retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno a traves de un orificio de extraccion.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Durante una reparacion del recuperador, se necesitara interrumpir el flujo de aire a traves de esta porcion del paquete de recuperadores de calor del recuperador de modo que los recuperadores de calor degradados se puedan retirar y se puedan instalar recuperadores de calor de sustitucion. El recuperador puede ser un diseno de caja abierta o un diseno compartimentalizado. El flujo de aire se puede obstruir o bloquear de otra manera en la parte inferior del recuperador. Puede ser deseable asimismo obstruir o bloquear de otra manera el flujo de aire en el extremo de mas arriba del orificio del recuperador.
El cuello del orificio del recuperador puede ser cortado o modificado de otro modo para proporcionar un agujero para instalar el quemador. El agujero en el cuello del orificio del recuperador puede estar situado en la parte inferior o solera del cuello del orificio del recuperador tal como se muestra en la figura 2. El agujero puede estar cortado asimismo en cualquiera de los lados del cuello del orificio del recuperador o en el arco o parte superior del cuello del orificio del recuperador.
El quemador puede ser instalado de modo que el quemador penetre a traves del cuello del orificio del recuperador y en el interior del orificio. La distancia del extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante y la distancia del extremo de salida de la segunda porcion del conducto de combustible de cualquiera de las paredes del cuello del orificio se pueden ajustar mediante la posicion de la placa de montaje -95-.
En general, un refrigerante, preferentemente agua, se hara pasar a traves de la primera camisa de fluido de refrigeracion durante la instalacion del quemador en el cuello del orificio del recuperador para impedir el recalentamiento del quemador mientras esta siendo instalado.
Una vez instalado, un primer gas oxidante sera introducido en el horno a traves del primer conducto de oxidante y un combustible sera introducido en el horno a traves del conducto de combustible. El combustible puede ser el mismo combustible que el que se utilizo para la operacion de aire-combustible previa o se puede utilizar un combustible diferente si se desea. El combustible puede ser gas natural.
El procedimiento puede comprender ademas introducir el primer gas oxidante o un segundo gas oxidante en el horno a traves de un segundo conducto de oxidante.
El procedimiento puede comprender ademas introducir una cantidad de aire a traves del orificio del recuperador. El aire, puede provenir del recuperador o de otra fuente. El aire introducido de esta manera tiene al menos tres efectos beneficiosos. En primer lugar, purga el orificio de gases del horno recirculados y de particulas, minimizando de esta manera la corrosion y acumulacion de material en particulas en el interior del orificio. En segundo lugar, anade cantidad de movimiento a la llama. Finalmente, permite la reduccion del flujo de oxidante al quemador, lo que disminuye a su vez los costes de funcionamiento y ralentiza la velocidad de combustion cerca de la tobera del quemador. La velocidad de combustion mas lenta prolonga e intensifica, en general, la region luminosa de la llama, incrementando en consecuencia la transferencia de calor radiante. Se puede suministrar hasta el 25% de la cantidad requerida de flujo estequiometrico de oxigeno al quemador mediante el flujo de aire a traves del orificio. Parte del requerimiento de oxigeno es proporcionado por el aire a traves del orificio, del 95% a tan solo aproximadamente el 75% de la cantidad estequiometrica de oxidante requerido para completar la combustion del combustible al horno puede ser proporcionada por el primer gas oxidante y/o el segundo gas oxidante.
El recuperador puede ser reparado a continuacion mientras que el funcionamiento del quemador proporciona calentamiento al horno y continua la produccion del vidrio.
Por lo demas, el horno puede continuar con su funcionamiento en este modo sin reparar el recuperador hasta el final de la campana del horno.
Algunos limites de los intervalos de los parametros del quemador se determinaron mediante consideraciones geometricas (es decir, espacio disponible) del quemador y del orificio de un horno de vidrio de recuperacion. Para ayudar a determinar otros limites de estos intervalos, se utilizo un modelado de dinamica de fluidos computacional (CFD), tal como se describe en el siguiente ejemplo.
Ejemplo
Se utilizo un modelado CFD para aislar y examinar los efectos de los parametros de diseno y de funcionamiento sobre los fenomenos termicos y de la mecanica de fluidos en el quemador. Un quemador y un segundo oxidante asociado como se muestra en la figura 1 sirvieron como la configuracion de modelado base. Los parametros que variaron durante la accion de modelado, junto con sus intervalos respectivos, se facilitan en la tabla 1. Observese que aunque el flujo de oxidante escalonado, es decir el porcentaje del flujo de oxidante total (primero mas segundo), no es un parametro de diseno para el quemador, fue incluido en el presente documento puesto que su variacion en el interior del ejemplo ayuda a destacar adicionalmente los efectos de los demas parametros. Se supuso que el combustible es gas natural, que se modela como metano al 100%.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Por motivos practicos, solo se presentan los resultados de CFD mas sobresalientes.
Tabla 1
Parametro
Minimo Maximo
Longitud adimensional del quemador, L/D
0,8 2,7
Primera proporcion del area de la seccion transversal A a del flujo de oxidante; 0
1,0 1,9
Proporcion del area de la seccion transversal del flujo Ail a0 de combustible; 1
1,0 1,9
Proporcion del area de la seccion transversal del Ani a segundo conducto de oxidante; n0
1,0 1,55
Flujo de oxidante escalonado (% del flujo de oxidante total)
20% 80%
La variacion de la longitud adimensional del quemador L/D, se llevo a cabo con el primer oxidante y las proporciones del area de la seccion transversal del flujo de area de combustible en sus valores maximos (vease la tabla 1). Los resultados se resumen en las figuras 6 a 9.
Por ejemplo, el efecto de L/D en la temperatura pico de la llama se muestra en la figura 6. Observese que aunque la tendencia en el caso del 20% de escalonamiento muestra un aumento gradual y relativamente pequeno de la temperatura a medida que se reduce L/D, la temperatura pico de la llama en el 80% del caso de escalonamiento aumenta en casi 100 K para el 80% de oxidante a medida que disminuye L/D de 2,7 a 1,4, luego disminuye a medida que decrece adicionalmente L/D hasta 0,8. Puesto que la temperatura pico de la llama aumenta en menos de 100 K para L/D variando entre 0,8 y 2,7 y L/D mayor que 2,7 tendria una temperatura pico de la llama aun mas baja, es adecuado un L/D de 0,8 a 7. El quemador puede funcionar en un intervalo de L/D de 0,8 a 7.
Un examen mas detallado de la temperatura de la llama en los casos que implican el 80% de escalonamiento se facilita en la figura 7, que compara la distribucion de la temperatura de la llama para L/D igual a 0,8, 1,4 y 2,7. En primer lugar se observara que la temperatura pico en los tres casos se produce relativamente cerca de la tobera del quemador; por consiguiente, las variaciones en el valor pico exponen en potencia el metal del quemador a danos por alta temperatura. Ademas, para L/D igual a 1,4 y 2,7, la temperatura de la llama aumenta inicialmente, alcanzando un valor pico a una distancia de aproximadamente 0,5 m de la salida de la tobera. Sin embargo, para L/D igual a 0,8, la temperatura pico se produce a una distancia menor de 0,2 m de la salida de la tobera, aumentando de esta manera adicionalmente el riesgo de recalentamiento de la tobera. Asimismo es de interes que la temperatura de la llama para el caso de L/D igual a 0,8 disminuye inmediatamente despues de que se logre el pico, alcanzando un minimo local que se encuentra entre 150 y 200 K mas bajo que el que se produce en los otros dos casos. Estas caracteristicas sugieren un cambio mas radical en las propiedades de la llama que se produce entre L/D igual a 1,4 y 0,8 que el que se produjo para L/D igual a 2,7 y 1,4.
Una explicacion del cambio en las propiedades de la llama se puede deducir de los perfiles de la velocidad de salida de la tobera de los casos de L/D igual a 1,4 y 0,8 facilitados en las figuras 8a y 8b, respectivamente. En particular, aunque la trayectoria de la mezcla combustible/primer oxidante permanece esencialmente inalterada en los dos casos, la trayectoria del segundo oxidante se altera significativamente a medida que se varia L/D. Es decir, para L/D igual a 1,4, la trayectoria del segundo oxidante es esencialmente paralela a la del primer chorro de oxidante/combustible. Sin embargo, a medida que se reduce L/D hasta 0,8, el flujo de oxidante escalonado, que tiene una longitud de desarrollo insuficiente en el interior de la segunda tobera de oxidante, se inclina hacia arriba hacia la llama principal aproximadamente 4 grados. Esto conduce a una rapida convergencia entre la llama y el oxidante secundario, que cuando se combina con el volumen relativamente grande del segundo oxidante (el 80% del oxidante total como oxidante escalonado), genera un mezclado acelerado cerca de la punta del quemador, lo que hace que la temperatura pico se localice mas proxima a la tobera y que la temperatura minima subsiguiente sea mas baja que en los otros casos. El efecto practico de estos hallazgos es que cuando el quemador comprende un segundo conducto de oxidante, el valor minimo de L/D debe ser mayor o igual a 1,4. Sin embargo, puesto que las caracteristicas del chorro de combustible/primer oxidante no se ven afectadas en gran medida por el cambio de L/D igual de 1,4 a 0,8, cuando el quemador no comprende el segundo conducto de oxidante, el valor minimo de L/D debe ser mayor o igual a 0,8.
5
10
15
20
25
30
35
El efecto de L/D en la longitud de la llama, ilustrado en la figura 9, refuerza las conclusiones extraidas de las figuras 6 a 8. Esta figura muestra como la reduccion de L/D conduce al acortamiento de la llama, debido presumiblemente al desarrollo insuficiente de los perfiles de velocidad de reaccion en el interior del quemador y de las toberas de lanza de escalonamiento, lo que conduce a un mezclado acelerado. El efecto de acortamiento de la llama de L/D entre 1,4 y 0,8 para el 80% del oxidante escalonado es particularmente grave y puede ser atribuido de nuevo a la convergencia rapida entre los flujos principales y secundarios de la tobera, descritos anteriormente.
La variacion de la primera proporcion del area de oxidante se llevo a cabo con longitudes adimensionales del quemador, L/D, de 0,8 y 1,4. Se mostro que la temperatura pico de la llama es sensible a la primera proporcion del
A
a
area de oxidante. La figura 10 muestra la temperatura pico en funcion de 0 para L/D igual a 1,4, y para el 20% y el 80% de escalonamiento del oxidante. Un aumento de la temperatura pico del orden de 190 K se produce en el 80% de escalonamiento mientras que se produce un aumento de la temperatura pico de 230 K en el 20% de
escalonamiento ya que la proporcion del area
A
A
se reduce desde 1,9 hasta 1,0. En el ultimo caso, el aumento de
A
A
la temperatura pico se agudiza a medida que disminuye 0 desde 1,3 hasta 1,0. En la figura 11, se presentan resultados similares en el caso de L/D igual a 0,8. Como en la figura 10, el aumento de la temperatura pico se
A
agudiza a medida que se reduce 0 por debajo de 1,3. En todos los casos, la temperatura pico mas alta de la
A
A
llama alcanza un valor en el intervalo de 2600 a 2650 K para 0 igual a 1,0.
En la figura 12 se presentan detalles adicionales que comparan las distribuciones de temperatura de la llama en el
A
A
caso de escalonamiento del 80% con 0 igual a 1,0 y 1,9. Las distribuciones de temperatura en ambos casos muestran de nuevo el valor pico caracteristico cerca de la salida de la tobera. Observese sin embargo que la
A
ubicacion del pico cambia desde una distancia de aproximadamente 0,4 m desde la tobera del quemador para
A
A
A
igual a 1,9 hasta aproximadamente 0,2 m desde la tobera para 0 igual a 1,0. Puesto que es la combinacion de la temperatura pico y la ubicacion del pico lo que define el riesgo relativo del recalentamiento de la tobera, se deduce
A
A
que se deben evitar los valores de 0 menores de 1,3.
El mecanismo mediante el cual el efecto de variar la proporcion del area de oxidante altera las propiedades de la
A
A
llama es a traves del perfil de velocidad de salida del primer oxidante. Es decir, la disminucion de la proporcion 0 aumenta la mala distribucion del primer flujo de oxidante en la salida de la tobera del quemador, generando de ese modo un exceso de turbulencia y de movimiento lateral que aumenta la temperatura pico de la llama y acorta la longitud de la llama. Una forma para cuantificar la mala distribucion de-la velocidad es calcular la desviacion de velocidad, definida como la desviacion estandar de la velocidad local del valor medio de la seccion transversal. Definida como tal, una desviacion de velocidad superior corresponde a un mayor grado de no uniformidad que, en el caso de la presente invencion, conduce a una mayor velocidad de mezclado no deseable entre el combustible y el
a-
primer oxidante. Las desviaciones de velocidad que corresponden a la primera proporcion del area de oxidante 0 igual a 1,0, 1,3 y 1,9; L/D igual a 1,4; el 20% de escalonamiento, se enumeran en la tabla 2. La magnitud de las desviaciones, normalizada como un porcentaje de la velocidad de la seccion transversal media, indica una
A
A
duplicacion de la no uniformidad del primer oxidante a medida que se reduce la proporcion del area 0 desde 1,9 hasta 1,0. Por otra parte, muestra un aumento relativamente pequeno en la desviacion de la velocidad a medida que
5
10
15
20
25
30
35
A
a
a a
0 se reduce desde 1,9 hasta 1,3, comparado con un aumento bastante grande a medida que 0 disminuye
A
a
desde 1,3 hasta 1,0, indicando ademas la necesidad de mantener la primera proporcion del area de oxidante 0 en 1,3 o superior a la misma.
Tabla 2
Primera proporcion del area de — — oxidante; 0
Desviacion de la velocidad (% de la velocidad media)
1,0
21,5
1,3
13,9
1,9
10,7
1
Af
Con relacion a la proporcion del area de combustible, 10 , la disminucion de este parametro a lo largo del intervalo de 1,9 a 1,0 tiene un efecto cualitativamente similar sobre la temperatura pico de la llama que el cambio en la primera proporcion del area de oxidante (con los mismos limites). La magnitud del efecto, sin embargo, es menor. Por ejemplo, con L/D igual a 0,8, la reduccion de la proporcion del area de combustible desde 1,9 hasta 1,0 produjo un aumento de 70 K en la temperatura pico de la llama, mientras que el aumento de la temperatura de la llama producido por la misma reduccion en la primera proporcion del area del oxidante fue de 250 K (vease la figura 11).
La menor sensibilidad de las caracteristicas de la llama a la proporcion del area de la tobera de combustible comparada con la de la primera proporcion del area de oxidante es rastreable por el hecho de que el perfil de velocidad de la salida de la tobera de combustible no es tan sensible a los cambios de la proporcion del area como lo es el primer perfil de velocidad de la salida de oxidante. Tal como se documenta en la tabla 3, las desviaciones de
Ail
Af
la velocidad del combustible en la salida de la tobera para la proporcion del area de combustible 10 1,9 son menores que la mitad de los valores comparables para el primer oxidante (vease la
igual a 1,0 y tabla 2) Las
Ail
Af
proporciones del area de combustible 10 menores que 1,0 no son deseables ya que son propensas a efectos inestables de separacion del flujo. Por consiguiente, basandose en el modelado CFD cualquier proporcion del area
Ail
Af
de la tobera de combustible, 10 , mayor o igual a 1,0 es aceptable en esta invencion. Sin, embargo, las mediciones y observaciones de las propiedades de la llama realizadas durante las pruebas de prototipo de laboratorio indican que el rendimiento del quemador se mejora adicionalmente a traves de la utilizacion de una proporcion del area de combustible mayor de 1,37, y asimismo con un contorno concavo a convexo tal como se muestra en la figura 3.
Tabla 3
Proporcion del area de oxidante —fo
Desviacion de la velocidad (% de la velocidad media)
1,0
9,4
1,9
4,8
A
a
La proporcion del area de la seccion transversal de flujo, n0 , del segundo conducto de oxidante influye enormemente en la segunda distribucion de la velocidad del oxidante que sale de la tobera que, a su vez, puede afectar tanto al rendimiento como a la durabilidad del sistema del quemador. Para las condiciones de interes para a
1,0 < < 1,55
A
esta invencion, n0 , los resultados del modelado CFD verificaron el fuerte efecto en la distribucion de la
velocidad. La figura 13 muestra que la desviacion de la velocidad del oxidante secundario aumenta bruscamente
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
A
a
cuando la proporcion del area, no , disminuye por debajo de un valor de aproximadamente 1,25, tal como es indicado por el aumento de pendiente en la curva. Aunque los resultados sugieren que el efecto en el rendimiento de la combustion es relativamente menor en todo este intervalo, la ruptura en el perfil de la velocidad de salida de la tobera en las proporciones del area por debajo de este valor critico conduce a zonas de velocidad de salida muy baja que son propensas a inestabilidades que pueden conducir a un flujo separado o inverso. Esto aumenta el riesgo de corrosion y taponamiento de la tobera, y es probable que conduzca a la necesidad de un mantenimiento mas
A
a
frecuente y a tasas de fallo mas altas. Por lo tanto, la proporcion del area aceptable minima no para la segunda tobera de oxidante de esta invencion es de 1,25.
En las siguientes clausulas, se describen realizaciones preferentes de la invencion:
1. Un quemador que comprende:
una primera camisa de fluido de refrigeracion con un diametro exterior equivalente, D;
un primer conducto de oxidante dispuesto en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la primera camisa de fluido de refrigeracion, teniendo el primer conducto de oxidante:
una entrada;
una primera porcion mas abajo de la entrada del primer conducto de oxidante;
una porcion curvada mas abajo de la primera porcion del primer conducto de oxidante, teniendo la porcion curvada del primer conducto de oxidante un angulo de curvatura, a, de 45° a 120°; y
una segunda porcion mas abajo de la porcion curvada del primer conducto de oxidante, terminando la segunda porcion del primer conducto de oxidante en un extremo de salida y teniendo un eje del flujo y una longitud, L; y
un conducto de combustible que tiene:
una entrada;
una primera porcion mas abajo de la entrada del conducto de combustible, en el que la primera porcion del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la primera porcion del primer conducto de oxidante;
una porcion curvada en la que la porcion curvada del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la porcion curvada del primer conducto de oxidante; y
una segunda porcion que termina en un extremo de salida y que tiene un eje del flujo en el que la segunda porcion del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la segunda porcion del primer conducto de oxidante, definiendo de ese modo un paso de oxidante entre la segunda porcion del conducto de combustible y la segunda porcion del primer conducto de oxidante;
en el que el paso de oxidante tiene una parte de entrada, una parte de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte de salida mas abajo de la parte de transicion, en la que la parte de entrada tiene un area de la seccion transversal, A, teniendo la parte de salida un area de la seccion transversal, Ao, y
0,8 < — < 7 en que D
A.
1,3<-L < 5 A
y o
2. El quemador de la clausula 1, en el que la segunda porcion del conducto de combustible define un paso de combustible en el que el paso de combustible tiene una parte de entrada, una parte de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte de salida mas abajo de la parte de transicion, en el que la parte de entrada de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, At, y la parte de salida de la
Ai
1,0 <-jL< 5 Af
segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, Afo, en la que Jo .
3. El quemador de la clausula 1, en el que la segunda porcion del conducto de combustible define un paso de
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
combustible, en el que el paso de combustible tiene una parte de entrada, una parte de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte de salida mas abajo de la parte de transicion, en el que la parte de entrada de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, Afl, y la parte de salida de la
Afi
1,37 <-f-< 5 Af
segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, Afo, en el que Jo .
4. El quemador de la clausula 2 o 3, en el que la segunda porcion del conducto de combustible tiene una superficie interior concava y una superficie interior convexa en la parte de transicion del paso de combustible, en el que la superficie interior convexa del conducto de combustible esta mas abajo de la superficie interior concava del conducto de combustible.
5. El quemador de la clausula 1, en el que el extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante sobresale del extremo de salida de la segunda porcion del conducto de combustible de 0,2 cm a 3 cm.
6. El quemador de la clausula 1, que comprende ademas: una segunda camisa de fluido de refrigeracion opcional; y
un segundo conducto de oxidante dispuesto en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de, al menos, una de la primera camisa de fluido de refrigeracion y la segunda camisa de fluido de refrigeracion, teniendo el segundo conducto de oxidante:
una entrada;
una primera porcion mas abajo de la entrada del segundo conducto de oxidante;
una porcion curvada mas abajo de la primera porcion del segundo conducto de oxidante, teniendo la porcion curvada del segundo conducto de oxidante un angulo de curvatura, fi estando el angulo de curvatura fien el interior de 15° del angulo de curvatura a, y
una segunda porcion mas abajo de la porcion curvada del segundo conducto de oxidante, terminando la segunda porcion del segundo conducto de oxidante en una tobera y teniendo, la segunda porcion del segundo conducto de oxidante un eje del flujo en una relacion fija en el espacio con la segunda porcion del primer conducto de oxidante;
1,4 < — < 7 en el que D
7. El quemador de la clausula 6, en el que el angulo de curvatura, fi esta en el interior de 2° del angulo de curvatura, a, y en el que el eje del flujo de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante es sustancialmente paralelo al eje del flujo de la segunda porcion del primer conducto de oxidante.
8. El quemador de la clausula 6, en el que la tobera tiene una entrada y una salida y en el que el extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante sobresale de la salida de la tobera de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante de 0,2 cm a 3 cm.
9. El quemador de la clausula 6, en el que la tobera de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante tiene una entrada y una salida en que la entrada tiene una seccion transversal circular y un area de la seccion transversal, An, y la salida tiene una seccion transversal no circular y un area de la seccion transversal, Ano, en la que la salida de la tobera tiene una proporcion de anchura a altura de 1,5 a 5.
A
1,25 < < 5
A
10. El quemador de la clausula 9, en el que no .
11. El quemador de la clausula 9, en el que la tobera tiene una altura convergente y una anchura divergente.
12. El quemador de la clausula 9, en el que la tobera tiene una superficie convexa que realiza la transicion entre la seccion transversal circular y la seccion transversal no circular.
13. El quemador de la clausula 1, en el que la segunda porcion del primer conducto de oxidante tiene una superficie interior convexa en la parte de transicion del paso de oxidante.
14. El quemador de la clausula 1, en el que la segunda porcion del conducto de combustible tiene una superficie exterior concava en la parte de transicion del paso de oxidante.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
15. El quemador de la clausula 6, en el que 60° < a< 110° y 60° < p < 110°.
16. El quemador de la clausula 1, en el que la segunda porcion del primer conducto de oxidante tiene una seccion transversal circular.
17. El quemador de la clausula 1, en el que la segunda porcion del conducto de combustible tiene una seccion transversal circular.
18. El quemador de la clausula 1, en el que el eje del flujo de la segunda porcion del primer conducto de oxidante es recto y es sustancialmente paralelo o sustancialmente coincidente con el eje del flujo de la segunda porcion del conducto de combustible.
19. Un horno que comprende: un recuperador;
una camara de combustion del horno;
un cuello del orificio del recuperador que conecta el recuperador a la camara de combustion del horno, definiendo el cuello del orificio del recuperador un orificio y una abertura del orificio en una pared del horno; y
un quemador segun una cualquiera de las clausulas 1 a 18, penetrando el quemador a traves del cuello del orificio del recuperador y al interior del orificio, estando dispuesto el quemador para dirigir un combustible y un oxidante a la camara de combustion del horno.
20. El horno de la clausula 19, que comprende ademas:
una cubeta del tanque de fusion dispuesta debajo de la camara de combustion del horno, teniendo la cubeta del tanque de fusion un extremo de carga para introducir los ingredientes de formacion del vidrio en la cubeta del tanque de fusion y un extremo de descarga para retirar un producto del vidrio de la cubeta del tanque de fusion; y
un orificio de extraccion en la pared o en otra pared del horno para retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno.
21. Un horno que comprende: un recuperador;
una camara de combustion del horno;
un cuello del orificio del recuperador que conecta el recuperador a la camara de combustion del horno, definiendo el cuello del orificio del recuperador un orificio y una abertura del orificio en una pared del horno; y
un quemador segun la clausula 5, en el que la primera camisa de refrigeracion, el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible penetran a traves del cuello del orificio del recuperador y al interior del orificio, estando dispuesto el primer conducto de oxidante para dirigir un oxidante al interior del horno, estando dispuesto el conducto de combustible para dirigir un combustible al horno, y en el que el segundo conducto de oxidante penetra en la pared del horno en una posicion por debajo de la abertura del orificio, estando dispuesto el segundo conducto de oxidante para dirigir el oxidante al horno.
22. El horno de la clausula 21, que comprende ademas:
una cubeta del tanque de fusion dispuesta debajo de la camara de combustion del horno, teniendo la cubeta del tanque de fusion un extremo de carga para introducir los ingredientes de formacion del vidrio en la cubeta del tanque de fusion, y un extremo de descarga para retirar un producto del vidrio del tanque de fusion; y
un orificio de extraccion en la pared o en otra pared del horno para retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno.
23. Un procedimiento de calentamiento de un horno, teniendo el horno el cuello del orificio del recuperador que conecta el recuperador a la camara de combustion del horno, definiendo el cuello del orificio del recuperador un orificio y una abertura del orificio en una pared del horno, comprendiendo el procedimiento:
obstruir el flujo de aire al orificio;
5
10
15
20
25
30
35
finalizar el flujo de combustible a un quemador de aire-combustible asociado con el orificio;
instalar un quemador definido segun una cualquiera de las clausulas 1 a 18 de modo que el quemador penetra a traves del cuello del orificio del recuperador y en el interior del orificio;
hacer pasar un refrigerante a traves de la primera camisa de fluido de refrigeracion y, si esta presente, a traves de la segunda camisa de fluido de refrigeracion;
introducir un primer gas oxidante en la camara de combustion del horno a traves del primer conducto de oxidante;
introducir el combustible u otro combustible en la camara de combustion del horno a traves del conducto de combustible;
realizar la combustion del combustible o del otro combustible con el primer gas oxidante para formar productos de combustion; y
retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno a traves de un orificio de extraccion.
24. El procedimiento de la clausula 23, que comprende ademas continuar con el flujo de aire a traves del orificio en una cantidad mayor que el 5% a una cantidad menor o igual al 25% del aire estequiometrico requerido para la combustion del combustible o del otro combustible que pasa a traves del quemador.
25. El procedimiento de la clausula 24, en el que el primer gas oxidante comprende del 28% en volumen al 100% en volumen de oxigeno.
26. El procedimiento de la clausula 24, en el que el quemador esta definido segun una cualquiera de las clausulas 5 a 12 y 18 y que comprende ademas:
introducir el primer gas oxidante o un segundo gas oxidante en la camara de combustion del horno a traves del segundo conducto de oxidante.
27. El procedimiento de la clausula 26, en el que el segundo gas oxidante comprende del 28% en volumen al 100% en volumen de oxigeno.

Claims (20)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    REIVINDICACIONES
    1. Quemador, (1) que comprende:
    una primera camisa (10) de fluido de refrigeracion con un diametro exterior equivalente, D;
    un primer conducto (20) de oxidante dispuesto en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la primera camisa (10) de fluido de refrigeracion, teniendo el primer conducto (20) de oxidante:
    una entrada (21);
    una primera porcion (23) mas abajo de la entrada (21) del primer conducto (20) de oxidante;
    una porcion curvada (25) mas abajo de la primera porcion (23) del primer conducto (20) de oxidante,
    teniendo la porcion curvada (20) del primer conducto de oxidante un angulo de curvatura, a, de 45° a 120°; y
    una segunda porcion (27) mas abajo de la porcion curvada (25) del primer conducto (20) de oxidante,
    terminando la segunda porcion (27) del primer conducto (20) de oxidante en un extremo de salida (29) y teniendo un
    eje del flujo (22) y una longitud, L; y
    un conducto (40) de combustible que tiene:
    una entrada (41);
    una primera porcion (43) mas abajo de la entrada (41) del conducto de combustible, en el que la primera porcion (43) del conducto (40) de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la primera porcion (23) del primer conducto (20) de oxidante;
    una porcion curvada (45) en el que la porcion curvada del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la porcion curvada (25) del primer conducto (20) de oxidante; y
    una segunda porcion (47) que termina en un extremo (49) de salida y que tiene un eje del flujo (42) en el que la segunda porcion (47) del conducto de combustible esta dispuesta en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de la segunda porcion (27) del primer conducto (20) de oxidante, definiendo de ese modo un paso (50) de oxidante entre la segunda porcion (47) del conducto (40) de combustible y la segunda porcion (27) del primer conducto (20) de oxidante;
    en el que el paso (50) de oxidante tiene una parte (51) de entrada, una parte (53) de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte (55) de salida mas abajo de la parte (53) de transicion, en el que la parte (51) de entrada tiene un area de la seccion transversal, A, teniendo la parte (55) de salida un area de la seccion transversal, Ao, y T A-
    en el que 0,8 < — < 7 y 1,3 <—- < 5 D A
    o
    mediante lo cual, en general, concentrico significa que el eje de un conducto es comun con el eje del otro conducto o esta desplazado ligeramente hasta en 2 cm.
  2. 2. Quemador, segun la reivindicacion 1, en el que la segunda porcion del conducto de combustible define un paso de combustible en el que el paso de combustible tiene una parte de entrada, una parte de transicion mas abajo de la parte de entrada, y una parte de salida mas abajo de la parte de transicion, en el que la parte de entrada de la segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, An, y la parte de salida de la
    Afi
    segunda porcion del conducto de combustible tiene un area de la seccion transversal, Ao, en el que 1,0 < < 5.
    A
    fo
  3. 3. Quemador, segun la reivindicacion 2, en el que la segunda porcion del conducto de combustible tiene una superficie interior concava y una superficie interior convexa en la parte de transicion del paso de combustible, en el que la superficie interior convexa del conducto de combustible esta mas abajo de la superficie interior concava del conducto de combustible.
  4. 4. Quemador, segun la reivindicacion 1, en el que el extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante sobresale del extremo de salida de la segunda porcion del conducto de combustible de 0,2 cm a 3 cm.
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
  5. 5. Quemador, segun la reivindicacion 1, que comprende ademas: una segunda camisa de fluido de refrigeracion opcional; y
    un segundo conducto de oxidante dispuesto en una relacion fija en el espacio y generalmente de manera concentrica en el interior de, al menos, una de la primera camisa de fluido de refrigeracion y de la segunda camisa de fluido de refrigeracion, teniendo el segundo conducto de oxidante:
    una entrada;
    una primera porcion mas abajo de la entrada del segundo conducto de oxidante;
    una porcion curvada mas abajo de la primera porcion del segundo conducto de oxidante, teniendo la porcion curvada del segundo conducto de oxidante un angulo de curvatura, p, estando el angulo de curvatura p en el interior de 15° del angulo de curvatura a; y
    una segunda porcion mas abajo de la porcion curvada del segundo conducto de oxidante, terminando la segunda porcion del segundo conducto de oxidante en una tobera y teniendo un eje del flujo, estando la segunda porcion del segundo conducto de oxidante en una relacion fija en el espacio con la segunda porcion del primer conducto de oxidante;
    en el que 1,4 < — < 7 D
  6. 6. Quemador, segun la reivindicacion 5, en el que el angulo de curvatura, p esta en el interior de 2° del angulo de curvatura, a, y en el que el eje del flujo de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante es sustancialmente paralelo al eje del flujo de la segunda porcion del primer conducto de oxidante, por lo que sustancialmente paralelo significa separado con una desviacion con una distancia de separacion maxima de 2 cm.
  7. 7. Quemador, segun la reivindicacion 5, en el que la tobera tiene una entrada y una salida y en el que el extremo de salida de la segunda porcion del primer conducto de oxidante sobresale de la salida de la tobera de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante de 0,2 cm a 3 cm.
  8. 8. Quemador, segun la reivindicacion 5, en el que la tobera de la segunda porcion del segundo conducto de oxidante tiene una entrada y una salida, en el que la entrada tiene una seccion transversal circular y un area de la seccion transversal, An(, y la salida tiene una seccion transversal no circular y un area de la seccion transversal, Ano, en el que la salida de la tobera tiene una proporcion de anchura a altura de 1,5 a 5.
  9. 9. Quemador, segun la reivindicacion 8, en el que 1,25 < —— < 5.
    A
    Ano
  10. 10. Quemador, segun la reivindicacion 8, en el que la tobera tiene una altura convergente y una anchura divergente.
  11. 11. Quemador segun la reivindicacion 8, en el que la tobera tiene una superficie convexa que realiza la transicion entre la seccion transversal circular y la seccion transversal no circular.
  12. 12. Quemador, segun la reivindicacion 5, en el que 60° < a < 110° y 60° < p < 110°.
  13. 13. Quemador, segun la reivindicacion 1, en el que el eje del flujo de la segunda porcion del primer conducto de oxidante es recto y es sustancialmente paralelo o sustancialmente coincidente con el eje del flujo de la segunda porcion del conducto de combustible.
  14. 14. Horno que comprende: un recuperador (125);
    una camara (135) de combustion del horno;
    un cuello (105) del orificio del recuperador que conecta el recuperador (125) a la camara (135) de combustion del horno, definiendo el cuello (105) de orificio del recuperador un orificio (110) y una abertura (115) del orificio en una pared (120) del horno (100); y
    un quemador (1) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, penetrando el quemador a traves del cuello (105) del orificio del recuperador y en el orificio (110), estando dispuesto el quemador (1) para dirigir un combustible y un oxidante al interior de la camara (135) de combustion del horno.
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
  15. 15. Horno, segun la reivindicacion 14, que comprende ademas:
    una cubeta del tanque de fusion dispuesta debajo de la camara de combustion del horno, teniendo la cubeta del tanque de fusion un extremo de carga para introducir los ingredientes de formacion del vidrio en la cubeta del tanque de fusion y un extremo de descarga para retirar un producto del vidrio de la cubeta del tanque de fusion; y
    un orificio de extraccion en la pared o en otra pared del horno para retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno.
  16. 16. Horno, segun la reivindicacion 14, que comprende:
    un quemador segun la reivindicacion 4, en el que la primera camisa de refrigeracion, el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible penetran a traves del cuello del orificio del recuperador y en el interior del orificio, estando el primer conducto de oxidante dispuesto para dirigir un oxidante al horno, estando el conducto de combustible dispuesto para dirigir un combustible al horno, y en el que el segundo conducto de oxidante penetra en la pared del horno en una posicion por debajo de la abertura del orificio, estando el segundo conducto de oxidante dispuesto para dirigir el oxidante al horno.
  17. 17. Horno, segun la reivindicacion 16, que comprende ademas:
    una cubeta del tanque de fusion dispuesta debajo de la camara de combustion del horno, teniendo la cubeta del tanque de fusion un extremo de carga para introducir ingredientes de formacion del vidrio en la cubeta del tanque de fusion, y un extremo de descarga para retirar un producto del vidrio de la cubeta de fusion; y
    un orificio de extraccion en la pared o en otra pared del horno para retirar los productos de la combustion de la camara de combustion del horno.
  18. 18. Procedimiento de calentamiento de un horno (100), teniendo el horno un cuello (105) del orificio del recuperador que conecta el recuperador (125) a una camara de combustion del horno, definiendo el cuello (105) del orificio del recuperador un orificio (110) y una abertura (115) del orificio en una pared (120) del horno, comprendiendo el procedimiento:
    obstruir el flujo de aire al orificio;
    finalizar el flujo de un combustible a un quemador de aire-combustible asociado con el orificio;
    instalar un quemador (1) definido segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, de tal modo que el quemador penetra a traves del cuello (105) del orificio del recuperador y en el orificio;
    hacer pasar un refrigerante a traves de la primera camisa (10) de fluido de refrigeracion y, si esta presente, a traves de la segunda camisa de fluido de refrigeracion;
    introducir un primer gas oxidante en la camara (135) de combustion del horno a traves del primer conducto (20) de oxidante;
    introducir el combustible u otro combustible en la camara (135) de combustion del horno a traves del conducto de combustible;
    realizar la combustion del combustible o del otro combustible con el primer gas oxidante para formar productos de combustion; y
    retirar los productos de la combustion de la camara (135) de combustion del horno a traves de un orificio de extraccion.
  19. 19. Procedimiento, segun la reivindicacion 18, que comprende ademas continuar con el flujo de aire a traves del orificio en una cantidad mayor que el 5% hasta una cantidad menor o igual al 25% del aire estequiometrico requerido para la combustion del combustible o del otro combustible que pasa a traves del quemador.
  20. 20. Procedimiento, segun la reivindicacion 19, en el que el quemador esta definido segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 11 y 13 y que comprende ademas:
    introducir el primer gas oxidante o un segundo gas oxidante en la camara de combustion del horno a traves del segundo conducto de oxidante.
ES10722270.5T 2009-06-08 2010-06-02 Quemador de oxígeno combustible de orificio pasante Active ES2624723T3 (es)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18494409P 2009-06-08 2009-06-08
US184944P 2009-06-08
PCT/US2010/037076 WO2010144286A1 (en) 2009-06-08 2010-06-02 Through-port oxy-fuel burner

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2624723T3 true ES2624723T3 (es) 2017-07-17

Family

ID=42629111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES10722270.5T Active ES2624723T3 (es) 2009-06-08 2010-06-02 Quemador de oxígeno combustible de orificio pasante

Country Status (11)

Country Link
EP (1) EP2440500B1 (es)
JP (1) JP5449544B2 (es)
KR (1) KR101325814B1 (es)
CN (1) CN102459102B (es)
BR (1) BRPI1013105B1 (es)
CA (1) CA2761169C (es)
ES (1) ES2624723T3 (es)
MX (1) MX2011012638A (es)
PL (1) PL2440500T3 (es)
RU (1) RU2493113C2 (es)
WO (1) WO2010144286A1 (es)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2827865C (en) * 2011-03-10 2016-01-05 Air Products And Chemicals, Inc. Oxy-fuel burner arrangement
JP2017032254A (ja) * 2015-08-05 2017-02-09 トヨタ自動車株式会社 バーナー
CN106116109A (zh) * 2016-06-22 2016-11-16 巨石集团有限公司 一种玻璃池窑及玻璃熔制的方法
SG11201811594TA (en) 2016-07-08 2019-01-30 Nova Chem Int Sa Metallic burner components
CN109059534B (zh) * 2018-06-12 2024-02-23 湖北锋焰机电科技有限公司 一种可调节式高效节能回转窑燃烧器
CN110282860A (zh) * 2019-07-15 2019-09-27 中国建材国际工程集团有限公司 一种燃烧器

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1698571A1 (ru) * 1990-02-19 1991-12-15 Институт газа АН УССР Газова горелка
UA18314A (uk) * 1990-08-23 1997-12-25 Інститут Чорної Металургії Пальhик
US5147438A (en) * 1991-09-18 1992-09-15 Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation Auxiliary oxygen burners technique in glass melting cross-fired regenerative furnaces
US5954498A (en) * 1998-02-26 1999-09-21 American Air Liquide, Inc. Oxidizing oxygen-fuel burner firing for reducing NOx emissions from high temperature furnaces
JPH11257613A (ja) * 1998-03-12 1999-09-21 Miyamoto Kogyosho:Kk バーナ
US6519973B1 (en) 2000-03-23 2003-02-18 Air Products And Chemicals, Inc. Glass melting process and furnace therefor with oxy-fuel combustion over melting zone and air-fuel combustion over fining zone
US7143610B2 (en) * 2001-03-23 2006-12-05 Vitro Global, S.A. Method and system for feeding and burning a pulverized fuel in a glass melting furnace, and burner for use in the same
US20030221455A1 (en) * 2002-05-28 2003-12-04 Scott Garrett L. Method and apparatus for lubricating molten glass forming molds
US6582218B1 (en) * 2002-06-11 2003-06-24 Air Products And Chemicals, Inc. Self-cooling oxy-fuel through-port burner for protruding into glass furnace atmosphere
JP2008101882A (ja) * 2006-10-20 2008-05-01 Ube Ind Ltd 固体燃料搬送管
WO2009030971A1 (en) * 2007-09-03 2009-03-12 Vitro Global, S.A. Method for melting glass

Also Published As

Publication number Publication date
CA2761169A1 (en) 2010-12-16
MX2011012638A (es) 2011-12-16
CN102459102A (zh) 2012-05-16
BRPI1013105A2 (pt) 2016-04-05
EP2440500B1 (en) 2017-04-19
RU2493113C2 (ru) 2013-09-20
BRPI1013105B1 (pt) 2019-11-12
EP2440500A1 (en) 2012-04-18
JP5449544B2 (ja) 2014-03-19
KR101325814B1 (ko) 2013-11-05
WO2010144286A1 (en) 2010-12-16
CA2761169C (en) 2014-05-20
KR20120031958A (ko) 2012-04-04
CN102459102B (zh) 2014-10-01
JP2012529624A (ja) 2012-11-22
RU2011152958A (ru) 2013-07-20
PL2440500T3 (pl) 2017-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2624723T3 (es) Quemador de oxígeno combustible de orificio pasante
US9221704B2 (en) Through-port oxy-fuel burner
ES2315767T3 (es) Quemador y procedimiento para la combustion de combustibles.
ES2220965T3 (es) Proceso de combustion y aparato para el mismo con inyeccion separada de las corrientes de combustible y oxidante.
KR970009482B1 (ko) 저 no_x의 산소-연료의 화염을 발생시키는 산소-연료 가열 방법 및 그 장치
ES2336136T3 (es) Enderezamiento de llama en un horno.
US9206979B2 (en) Oxy-fuel burner arrangement
ES2426683T3 (es) Geometría de una cuba de fusión de combustión sumergida, refrigerada con paneles, y métodos para fabricar vidrio fundido
US7392668B2 (en) Low heat capacity gas oxy fired burner
CZ279820B6 (cs) Spalovací systém na kyslík a palivo
AU2005337795A1 (en) Process and apparatus for low-NOx combustion
KR20180116400A (ko) 버너, 퍼니스, 및 이를 이용하는 증기 분해 방법
ES2809462T3 (es) Aparato quemador y método de combustión
TWI416051B (zh) 穿埠氧-燃料燃燒器
AU2008200617B2 (en) Burner and method for combusting fuels
US5797356A (en) Simplest high efficiency universal water heater
EP3339730A1 (en) Staged combustion installation and method
ES2901606T3 (es) Método para la combustión de combustible gaseoso o líquido
JPH0914618A (ja) 気体燃料−酸素バーナー
CN103759261B (zh) 一种红外线加热装置
ES2592930T3 (es) Caldera pulsante
JPH0828810A (ja) ラジアントチューブ型加熱装置および加熱方法
JPH05248605A (ja) ラジアントチューブ型加熱装置およびその加熱装置における燃焼方法