ES2908234T3 - Quemador de fluido con chorro direccional - Google Patents

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Jesse E Cates
Bryan R Bielec
Larry E Cates
Bradley D Damstedt
Megha Jampani
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Abstract

Un aparato de quemador que comprende (A) un cuerpo de quemador que tiene: un conducto (5) central dentro del cuerpo de quemador que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo axialmente opuesto que desemboca en un extremo (2) aguas abajo del quemador (1), en donde el diámetro en sección transversal del conducto central aumenta en el sentido hacia el extremo aguas abajo; una pluralidad de primeros orificios (6) en el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) que están ubicados de manera sustancialmente uniforme alrededor del extremo aguas abajo del conducto (5) central, en donde los primeros orificios (6) están conectados por primeros conductos (26) dentro del cuerpo del quemador a una o más entradas (16) a través de las cuales puede alimentarse un primer fluido, y una pluralidad de segundos orificios (7) en el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) que están ubicados de manera sustancialmente uniforme alrededor del extremo aguas abajo del conducto (5) central, en donde los segundos orificios (7) están conectados por segundos conductos (27) dentro del cuerpo del quemador a una o más entradas (17) a través de las cuales puede alimentarse un segundo fluido, siendo los conductos primeros y segundos independientes unos de otros; en donde los primeros orificios (6) y los segundos orificios (7) están distantes de manera sustancialmente uniforme desde el eje central del conducto (5) central; y el eje de la pluralidad de primeros orificios (6) y de la pluralidad de segundos orificios (7) está orientado de modo que fluye gas hacia fuera de los orificios en paralelo al eje del conducto (5) central o formando un ángulo de hasta 10 grados o incluso hasta 45 grados con respecto al eje del conducto (5) central; y en donde el conducto (5) central, los primeros orificios (6) y los segundos orificios (7), son las únicas aberturas en el aparato de quemador a través de las cuales puede fluir fluido hacia fuera del extremo aguas abajo del aparato de quemador; (B) una cavidad (35) de fluido que se comunica en el extremo aguas abajo de la misma con el extremo aguas arriba del conducto (5) central del quemador, teniendo dicha cavidad (35) de fluido un diámetro D en el punto de comunicación entre la cavidad de fluido y el extremo aguas arriba del conducto central del quemador suficiente para permitir que el fluido que pasa a través de la misma tenga una velocidad supersónica, teniendo dicho conducto central una longitud desde dicho punto de comunicación hasta su extremo aguas abajo de 2D a 9D; y (C) un alojamiento (4) que rodea el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) y que está abierto en el extremo del alojamiento que rodea el extremo aguas abajo del quemador, en donde el extremo (3) abierto del alojamiento (4) está ubicado a una distancia L aguas abajo del extremo (2) aguas abajo del quemador (1), en donde L es de al menos 25 % de la distancia a través del extremo abierto del alojamiento; caracterizado por comprender además el aparato de quemador una pluralidad de conductos (42, 43) de gas de desviación que tienen salidas (44, 45) de gas de desviación a través de las cuales se puede alimentar gas de desviación al interior de la cavidad (35) de fluido en una dirección sustancialmente perpendicular a la línea central axial de la cavidad de fluido, teniendo dichas salidas (44, 45) de gas de desviación un diámetro d de tal manera que d/D esté dentro del intervalo de 0,18 a 0,75, comunicándose dichos conductos (42, 43) con la cavidad de fluido de manera que los centros de las salidas (44, 45) de gas de desviación están en un punto dentro del intervalo de d/2 aguas arriba del punto de comunicación entre la cavidad (35) de fluido y el extremo aguas arriba del conducto central hasta ese punto de comunicación, donde D y d se expresan en las mismas unidades; comprendiendo la porción del alojamiento (4) que se extiende aguas abajo del extremo (2) aguas abajo del quemador (1) conductos (24) en la misma a través de los cuales puede fluir refrigerante para absorber calor generado por combustión que se produce en el quemador; teniendo el conducto (5) central una superficie interior que es cónica o curvada, en donde el diámetro en sección transversal del conducto central aumenta de manera que en el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) el diámetro del conducto (5) central corresponde al diámetro interno del alojamiento (4); y estando ubicados la pluralidad de primeros orificios (6) y la pluralidad de segundos orificios (7) en la superficie interior del conducto (5) central.

Description

DESCRIPCIÓN
Quemador de fluido con chorro direccional
Campo de la invención
La presente invención se refiere a quemadores adecuados para realizar la combustión de combustible y oxidante gaseoso en una zona de combustión.
Antecedentes de la invención
Un quemador convencional empleado para proporcionar calor, por ejemplo, a un horno, se fija en su lugar en una pared de horno y dirige la reacción de combustión o llama que sale del quemador a un punto fijo en la zona de combustión dentro del horno. Muchos quemadores tienen controles para cambiar la forma de la llama, por ejemplo, de una llama larga y fina a una llama corta y gruesa con el fin de hacer coincidir mejor el calentamiento proporcionado por el quemador con la demanda requerida por la carga del horno. Sin embargo, a veces es necesario o deseable cambiar la dirección de la llama de quemador. Por ejemplo, en la fusión de la chatarra, es deseable cambiar la dirección de la llama para proporcionar calor directamente a la chatarra no fundida en lugar de esperar a que corrientes de conducción y convección proporcionen calor a la chatarra no fundida desde el área dentro de la zona de combustión a la que se dirige la llama.
En WO 2007/008973 A2 se describe un aparato de quemador como se define en la porción precaracterizadora de la reivindicación 1.
La patente estadounidense n.° 5.110.285 describe una forma de cambiar la dirección de la llama de un quemador. Sin embargo, el funcionamiento de acuerdo con las enseñanzas de esta patente corre el riesgo de encontrarse con inconvenientes operativos, tales como sobrecalentamiento de la boquilla de quemador y/u obstrucción de los orificios en el extremo del quemador con subproductos de combustión a partir del horno.
La presente invención evita estos riesgos con una combinación de características que permiten un funcionamiento eficiente al tiempo que conservan las ventajas de la capacidad de cambiar la dirección de la llama del quemador.
Breve resumen de la invención
Un aspecto de la presente invención es un aparato de quemador como se define en la reivindicación 1.
Otro aspecto de esta invención comprende un método de combustión como se define en la reivindicación 7.
Como se usa en la presente descripción, el término “zona de combustión” significa el volumen al que se hace pasar fluido gaseoso desde la salida del quemador.
Como se usa en la presente descripción, el término “sustancialmente perpendicular” significa dentro de más o menos 15 grados.
Como se usa en la presente descripción, los orificios están ubicados “de manera sustancialmente uniforme” alrededor del conducto central si los ángulos entre cada par de radios adyacentes desde el eje central del conducto central a través del centro de cada orificio están cada uno dentro de 5 grados de (360/N) donde N es el número de orificios, y están “ uniformemente” ubicados alrededor del conducto central si los ángulos entre cada par de radios adyacentes están dentro de 1 grado de (360/N). Por ejemplo, si hay 12 orificios, se considera que están ubicados de manera sustancialmente uniforme alrededor del conducto central si el ángulo entre cada par de radios adyacentes es de 25 grados a 35 grados, y uniformemente ubicados si cada uno de tales ángulos es de 29 a 31 grados.
Tal como se usa en la presente descripción, un grupo de orificios que están “distantes de manera relativamente uniforme” desde el eje central del conducto central significa que, con referencia al orificio cuyo centro está más cerca del eje central del conducto central, ninguno de los otros orificios en el grupo está completamente fuera de un círculo cuyo centro está en el eje central y cuyo radio es la distancia hasta el borde más exterior de ese orificio de referencia, y un grupo de orificios están “distantes de manera sustancialmente uniforme” desde el eje central del conducto central si, con referencia a ese orificio de referencia, ninguna parte de los otros orificios en el grupo está fuera de un círculo cuyo centro está en el eje central y cuyo radio es la distancia hasta el borde más exterior de ese orificio de referencia.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista frontal de una realización de un aparato de quemador de la presente invención.
La Figura 2A es una vista en sección transversal de un quemador visto en el plano definido por la línea A-A en la Figura 1.
La Figura 2B es una vista en sección transversal de un quemador visto en el plano definido por la línea B-B en la Figura 1.
La Figura 3 es una vista en sección transversal de un aparato de quemador que muestra realizaciones adicionales de la invención.
Descripción detallada de la invención
Esta invención es útil en cualquier aplicación en la que se someten combustible y oxidante a combustión para generar calor de combustión que se usa para calentar, ablandar o fundir material. Los ejemplos incluyen incineradores, hornos de vidrio (en los que se funde material sólido para fabricación de vidrio), hornos de recalentamiento de acero, hornos de arco eléctrico de fabricación de acero, hornos para producir cemento y similares. La invención se describirá en detalle a continuación, con referencia a los dibujos.
La Figura 1 representa el extremo aguas abajo de un aparato de quemador de la presente invención, incluido el extremo 2 aguas abajo de quemador 1 y el extremo 3 aguas abajo del alojamiento 4. Los términos “ aguas abajo” y “ aguas arriba” se usan con fines de referencia para describir ubicaciones relativas de componentes del aparato de quemador, sin implicar que el fluido está necesariamente fluyendo en el aparato. El conducto 5 central está abierto en el extremo 2 aguas abajo del quemador 1 y se extiende al interior del cuerpo de quemador 1. Primeros orificios 6 y segundos orificios 7 desembocan en el extremo 2 aguas abajo de quemador 1. El aparato de quemador que incluye el quemador 1 y el alojamiento 4 se fabrican de material que puede soportar las temperaturas encontradas en la combustión de combustible en hornos, preferiblemente hasta 500 °C, tales como aleaciones de cobre.
Preferiblemente, los orificios 6 están ubicados de manera sustancialmente uniforme unos con respecto a otros alrededor del eje central del conducto 5 central, y los orificios 7 están ubicados de manera sustancialmente uniforme unos con respecto a otros alrededor del eje central del conducto 5 central. Más preferiblemente, todos los orificios 6 están ubicados uniformemente alrededor del eje central del conducto 5 unos con respecto a otros, y todos los orificios 7 están ubicados uniformemente alrededor del eje central del conducto 5 unos con respecto a otros.
Los orificios 6 están preferiblemente distantes de manera relativamente uniforme, y más preferiblemente están distantes de manera sustancialmente uniforme, desde el eje central del conducto 5 central unos con respecto a otros. Los orificios 7 están preferiblemente distantes de manera relativamente uniforme, y más preferiblemente están distantes de manera sustancialmente uniforme, desde el eje central del conducto 5 central unos con respecto a otros. Incluso más preferiblemente, la totalidad de los primeros orificios y la totalidad de los segundos orificios están distantes de manera sustancialmente uniforme desde el eje central del conducto 5, considerando todos dichos orificios 6 y 7 como un grupo.
Pueden estar presentes desde 4 hasta 20 primeros orificios, preferiblemente de 8 a 14. Pueden estar presentes desde 4 hasta 20 segundos orificios, preferiblemente de 8 a 14. La Figura 1 representa una disposición preferida de orificios en la que un segundo orificio está ubicado entre cada par de primeros orificios. También se prefieren disposiciones en las que la totalidad de los primeros orificios están a la misma distancia desde el eje central del conducto 5 central unos con respecto a otros, y la totalidad de los segundos orificios están a la misma distancia del eje central del conducto 5 central unos con respecto a otros. También se prefieren disposiciones en las que los centros de la totalidad de los primeros orificios y los centros de la totalidad de los segundos orificios, están todos a la misma distancia desde el eje central del conducto 5. Esta disposición se muestra en la Figura 1. Los ejes de los orificios primeros y segundos deben estar orientados de modo que fluye gas hacia fuera de los orificios al interior de la zona 23 de combustión, preferiblemente en paralelo al eje del conducto 5 central o formando un ángulo de hasta 10 grados o incluso hasta 45 grados con respecto al eje del conducto 5 central.
Las únicas aberturas o espacios desde los que puede pasar fluido (que significa gas, líquido, sólidos y cualquier combinación de los mismos) desde fuera del aparato de quemador de la presente invención al interior de la zona 23 de combustión son el conducto 5 central, los primeros orificios 6 y los segundos orificios 7. Es decir, no hay ningún otro hueco o abertura entre la superficie exterior del quemador 1 y la superficie interior de alojamiento 4.
Haciendo ahora referencia a las Figuras 2A y 2B, se muestra que el aparato de quemador de la presente invención se ha instalado a través de la pared 21 de un horno de modo que puede proporcionar combustible y oxidante al interior de la zona 23 de combustión donde se someten a combustión. Se alimenta combustible en una o más entradas 16 al interior y a través de conductos 26 en el cuerpo del quemador 1, a los primeros orificios 6. Se alimenta oxidante al interior de la entrada 31 y pasa al interior de la cavidad 35 de fluido como se describe a continuación, y continúa al interior del conducto 5 y luego fuera del conducto 5 al interior de la zona 23 de combustión. Se alimenta oxidante de estabilización en una o más entradas 17 al interior y a través de los conductos 27 en el cuerpo del quemador 1, a los segundos orificios 7. El alojamiento 4 se extiende más allá del extremo del quemador 1 una distancia L que es de al menos 25 % del diámetro W a través de la abertura definida por el extremo aguas abajo de alojamiento 4.
Refrigerante, tal como agua, circula dentro y fuera de las aberturas 25 y a través de conductos 24 de refrigerante que están presentes en al menos la porción de alojamiento 4 que se extiende en el sentido aguas abajo más allá del extremo aguas abajo de quemador 1. Los conductos 24 de refrigerante deben estar distribuidos preferiblemente de manera uniforme a lo largo de la totalidad de al menos esa porción de alojamiento 4, para proporcionar una absorción de calor más uniforme. La combinación de características en esta invención permite la operación de combustión sin encontrar temperaturas excesivamente altas en el extremo aguas abajo de quemador 1. Preferiblemente, se hace circular refrigerante a través de los conductos 24 de refrigerante a una velocidad de flujo que mantiene la temperatura no superior a 204,4 0C (400 F) en la cara frontal del quemador.
El combustible puede ser cualquier fluido combustible. Los ejemplos de combustible preferido incluyen metano y gas natural. Otros ejemplos incluyen gas de horno de coque, gas de síntesis y aceite de combustible atomizado con gas tal como aire o nitrógeno. El oxidante debe ser gaseoso y puede tener cualquier concentración de oxígeno desde la de aire hasta la de oxígeno técnicamente puro que tiene una concentración de oxígeno de 99,5 por ciento o más. La invención tendrá utilidad particular con un oxidante que tiene una concentración de oxígeno de al menos 30 por ciento.
Se alimenta gas de desviación en 41 y pasa a través de válvulas (representadas por 49) y a continuación a dos o más líneas de suministro (dos de las cuales se muestran como 42 y 43) cuyas salidas (44 y 45, respectivamente) transportan gas de desviación al interior de la cavidad 35 de fluido. Se suministra gas de desviación al interior o bien de la línea 42 de suministro o bien de la línea 43 de suministro, o a cualesquiera otras líneas de suministro si hay más de dos, o se cierra completamente, mediante el funcionamiento de las válvulas 45. El gas de desviación adecuado incluye cualquier gas o mezcla de gases que no reaccione con la unidad de quemador o con el horno. Los ejemplos preferidos incluyen nitrógeno, argón y oxígeno, y mezclas de dos cualesquiera o los tres de los mismos, incluido aire y aire enriquecido con oxígeno. Se prefiere particularmente oxígeno dado que ya estará presente un suministro de oxígeno para su uso con este quemador, y porque el oxígeno puede participar en la combustión en la zona 23 de combustión.
La Figura 3 representa configuraciones alternativas del conducto 5 central y ubicaciones alternativas de las salidas 44 y 45. Haciendo referencia a la Figura 3, la cavidad 35 de fluido comprende un área 35 de flujo restringido que tiene una entrada 36 y una salida 37 que se comunica directamente con el extremo aguas arriba del conducto 5. En la realización de la Figura 3 el conducto 5 es cónico, mientras que en la realización representada en las Figuras 2A y 2B está ensanchado. En ambas realizaciones, el conducto 5 define un área en sección transversal que se expande hacia fuera en el sentido aguas abajo hacia el extremo 2 aguas abajo de quemador 1.
En las realizaciones de las Figuras 2A, 2B y 3, el área de flujo restringido que está definida por la cavidad 35 de fluido tiene un diámetro D en el punto donde se comunica con el extremo aguas arriba del conducto 5. Generalmente, D estará dentro del intervalo de 0,3175 a 3,81 cm (de 0,125 a 1,5 pulgadas) y normalmente D estará dentro del intervalo de 0,3175 a 2,54 cm (de 0,125 a 1,0 pulgadas); sin embargo, el diámetro D dependerá de la tasa de encendido. El gas de desviación se proporciona al interior de la cavidad 35 de fluido desde una fuente del mismo 41 a una alta velocidad, generalmente a una velocidad de al menos 121,9 (400 pies por segundo) o incluso al menos 152,4 m/s (500 pies por segundo) y preferiblemente a velocidad sónica o mayor, preferiblemente hasta aproximadamente 426,7 m/s (1400 pies por segundo) (o más, incluso hasta 518,2 m/s (1700 pies por segundo) dependiendo de la velocidad sónica de la corriente oxidante que está usándose). A velocidades superiores a la sónica, la velocidad es la velocidad de chorro aparente que se define como velocidad de flujo volumétrica, a presión ambiental, dejando un orificio dividido por el área en sección transversal del orificio. El fluido a alta velocidad proporcionado al interior y a través de la cavidad 35 de fluido proporciona una zona de presión reducida adyacente a la superficie en el extremo aguas arriba del conducto 5.
Normalmente, la invención inyectará gas de desviación en el oxidante gaseoso desde sólo una de las salidas 44 y 45 o al menos dos salidas 44 y 45. Habitualmente, el número de tales salidas estará dentro del intervalo de 2 a 8. Las salidas deben orientarse para suministrar gas de desviación al interior de la cavidad 35 de fluido en una dirección sustancialmente perpendicular a la dirección de flujo del oxidante que pasa a través del área de flujo restringido, es decir, sustancialmente perpendicular a la línea central axial de la cavidad 35 de fluido que también debe ser la línea central axial del conducto 5 central.
Las salidas 44 y 45 (así como cualquier salida adicional de gas de desviación) deben tener un diámetro d donde se conectan con la cavidad de fluido, de manera que la razón d/D está dentro del intervalo de 0,18 a 0,75, preferiblemente de 0,18 a 0,25. Normalmente, d estará dentro del intervalo de 2,54 a 3,81 mm ((de 0,10 a 0,15 pulgadas) o incluso hasta 5,08 mm (0,20 pulgadas). En algunas situaciones puede ser preferible que la forma de la sección transversal de las salidas 44 y 45 o el punto de comunicación entre la cavidad 35 de fluido y el extremo aguas arriba del conducto 5 sean distintas de circulares. Por ejemplo, la forma en sección transversal puede ser elíptica o la de una ranura rectangular. En tal caso, el diámetro D y/o d es la menor de las anchuras que definen la abertura.
Las salidas de gas de desviación se comunican con la cavidad 35 de fluido de manera que los centros de salida están en un punto dentro del intervalo de 3d/4 aguas arriba a d/4 aguas abajo del punto de comunicación entre la cavidad 35 de fluido y el extremo aguas arriba de conducto 5. Preferiblemente, este intervalo está dentro del intervalo de d/2 aguas arriba del punto de comunicación al punto de comunicación entre el extremo 37 aguas abajo de la cavidad 35 de fluido y el extremo aguas arriba de conducto 5. Lo más preferiblemente el gas de desviación se comunica con la cavidad de fluido en un punto aproximadamente d/2 aguas arriba de este punto de comunicación. En la realización ilustrada en la Figura 3, este punto de comunicación está en el punto d/2 aguas arriba del punto donde la cavidad de fluido se comunica con el extremo aguas arriba del conducto 5.
Se alimentan oxidante gaseoso y combustible a través del quemador 1 y se someten a combustión en la zona 23 de combustión. El oxidante que pasa hacia fuera del conducto 5 central al interior de la zona 23 de combustión contiene de 50 a 95 por ciento en volumen (% en volumen) y de manera general aproximadamente 60 (+/-5)% en volumen del oxígeno total que pasa al interior de la zona 23 de combustión. La cantidad total de oxidante que fluye fuera de la totalidad de los segundos orificios 7 contiene de 30 a 45 % en volumen y de manera general aproximadamente 40 (+/-5)% en volumen del oxígeno total que pasa al interior de la zona 23 de combustión. Cuando se inyecta gas de desviación como se describe en la presente descripción, el gas de desviación contiene de 1 a 3 % en volumen (preferiblemente de 1,5 a 2 % en volumen) de la cantidad de oxidante que pasa fuera del conducto 5 central al interior de la zona 23 de combustión.
La velocidad del gas (oxidante a partir de la entrada 31 más gas de desviación) que pasa fuera del extremo aguas abajo del conducto 5 central es generalmente de 121,9 a 518,2 m/s (de 400 a 1700 pies por segundo (fps)), preferiblemente el intervalo más estrecho de 274,3 a 426,7 m/s (de 900 a 1400 fps). La velocidad del oxidante que pasa fuera de los segundos orificios 7 es generalmente de 121,9 a 518,2 m/s (de 400 a 1700 pies por segundo (fps)), preferiblemente el intervalo más estrecho de 274,3 a 426,7 m/s (de 900 a 1400 fps). El oxidante que pasa fuera de los segundos orificios 7 ayuda a estabilizar y anclar la llama que se forma por la combustión en el quemador.
Se hace pasar combustible fuera de los primeros orificios 6 para someterse a combustión en la zona 23 de combustión. Preferiblemente, la velocidad del combustible que pasa fuera de cada orificio es de al menos 182,9 m/s (600 fps), lo que ayuda a evitar el riesgo de que los orificios se obstruyan por cualquier subproducto de coquización prematura o similar del combustible, o por cualquier subproducto de la combustión.
La cantidad total de oxígeno que pasa al interior de la zona 23 de combustión desde el conducto 5 (que incluye cualquier oxidante de desviación) y desde la totalidad de los segundos orificios 7 debe ser de 90 % a 110 % (preferiblemente más cerca de 100 % ) de la cantidad de oxígeno necesaria para realizar la combustión completa de todo el combustible que se alimenta fuera de la totalidad de los primeros orificios 6 para dar dióxido de carbono y agua.
Una característica de esta invención es la provisión de un gas de desviación sustancialmente perpendicular a la línea central axial de la cavidad de fluido para cambiar eficazmente la dirección de flujo del oxidante principal (es decir, la corriente de oxidante que se hace pasar a través de la cavidad de fluido y a través y fuera del conducto 5 central). La cavidad 35 de fluido ayuda a lograr la alta velocidad del oxidante, lo que a su vez provoca la generación de una zona de presión reducida. Generalmente, el gas de desviación se proporcionará al interior de la cavidad de fluido en o aguas arriba del punto 37 de transición donde el área de flujo restringido se comunica con el extremo aguas arriba del conducto 5 central. Este punto de provisión, a diferencia de un punto más aguas abajo, permite un cambio de dirección de flujo más eficiente de una corriente de alta velocidad sin encontrar inestabilidad.
La dirección del flujo del oxidante principal fuera del conducto 5 central se controla haciendo fluir gas de desviación a través de una cualquiera de las salidas de gas de desviación tales como 44, 45 mostradas en las Figuras 2A y 2B. Cuando se suministra gas de desviación a través de una salida de desviación, la corriente de oxidante principal procedente a través de la cavidad 35 de fluido se adhiere a la superficie interior del conducto 5 formando un ángulo de aproximadamente 10 grados opuesto a la corriente de gas de desviación, y después de esa superficie interior, sale del extremo aguas abajo de quemador 1 formando un ángulo tal como de aproximadamente 35 a 40 grados con respecto al eje central del conducto 5. La combinación de la cavidad cónica y curvada permite grandes ángulos de desviación para longitudes de boquilla cortas. Usando esta técnica se ha logrado la desviación de la corriente de oxidante principal hasta un ángulo de 90 grados con respecto al eje central.
Cuando no se proporciona gas de desviación, el oxidante principal avanza a través de la cavidad de fluido y al interior de la zona 23 de combustión sin cambio en la dirección alejándose del eje central del conducto 5. Sin embargo, cuando se proporciona gas de desviación al interior de la cavidad de fluido a través, por ejemplo, de la salida 44 o 45 de gas de desviación, se hace que el flujo de oxidante principal cambie de dirección y pase al interior de la zona 23 de combustión en una dirección que diverge del eje central de conducto 5. Este flujo de gas de desviación provoca una desviación del flujo de oxidante principal y hace que la corriente de oxidante principal se adhiera a la pared de conducto 5 opuesta a donde se dirige el gas de desviación hacia el oxidante principal. Se cree que este cambio en la dirección se debe a una diferencia de presión provocada por la aspiración asimétrica de fluido hacia el chorro de flujo de fluido debido a su proximidad a la pared. Un chorro libre, cuando no presenta obstrucciones, arrastrará el gas circundante de manera uniforme y se expandirá simétricamente alrededor de su eje. Sin embargo, cuando se coloca adyacente a una pared, el arrastre de gas circundante está limitado por la presencia de la pared. Esto crea una región de baja presión entre el chorro y la pared que sirve para empujar el flujo de fluido para adaptarse a la dirección de la pared. Generalmente, la diferencia de presión a través del chorro de fluido será de aproximadamente 6,89 kPa (1 libra por pulgada cuadrada (psi)) o más para un cambio de dirección eficaz.
El cambio de dirección del flujo de la corriente de oxidante principal se ilustra con referencia a la Figura 2A. Cuando no se suministra gas de desviación, la corriente de oxidante principal sale del conducto 5 central al interior de la zona 23 de combustión en una dirección axial, lo que significa que está axialmente alineada con el eje central de conducto 5 y quemador 1, hacia la región 23b. Cuando se proporciona gas de desviación a la salida 44, la corriente de oxidante principal sale del conducto 5 y fuera de quemador 1 hacia la región 23c por la acción del gas de desviación inyectado. Cuando se proporciona un gas de desviación a la salida 45, la corriente de oxidante principal sale del conducto 5 y fuera de quemador 1 hacia la región 23a por la acción del gas de desviación inyectado. La dirección del flujo de la corriente de oxidante principal puede cambiarse de axial a formar un ángulo con respecto a la axial, y luego a un ángulo diferente o de vuelta a axial. Los cambios pueden ser intermitentes o continuos.
De esta manera, la dirección de flujo de la corriente de oxidante principal que fluye al interior de la zona 23 de combustión puede cambiarse sin necesidad de ajustar el quemador o cambiar la boquilla. La dirección de flujo puede cambiarse entre tantas posiciones como salidas de gas de desviación haya. La corriente de oxidante principal de alta velocidad, al salir de la cavidad de fluido, arrastrará eficazmente combustible suministrado al interior de la zona de combustión a través de los segundos orificios 7 o disponible de otro modo en la zona de combustión. Por lo tanto, el combustible y el oxidante fluirán en la misma dirección a pesar de la redirección del oxidante principal, y su entremezclado durante el arrastre permitirá que se produzca una combustión estabilizada. La combustión se inicia o bien mediante un dispositivo de ignición apropiado o bien mediante combustión en curso dentro de la zona de combustión.
Generalmente, el gas de desviación se proporcionará al interior de la cavidad 35 de fluido con una velocidad de flujo de 0,5 a 3,0 por ciento, o incluso a 4,0 por ciento, de la de la corriente de oxidante principal. La velocidad de la corriente de oxidante principal puede ser bastante alta mientras que todavía se logra un cambio eficaz de dirección. Se ha logrado el cambio eficaz cuando el oxidante principal tiene una velocidad aparente de hasta de 426,7 a 518,2 m/s (de 1400 o incluso 1700 pies por segundo (fps)) a través de la cavidad de fluido.
Para lograr un cambio de dirección eficaz, la longitud del conducto 5 central desde el punto de su comunicación con la cavidad de fluido hasta su extremo aguas abajo debe ser suficiente para lograr el diferencial de presión requerido. Aunque la longitud eficaz mínima variará dependiendo de la velocidad y factores de configuración, se ha encontrado que una longitud de conducto central de al menos 2D y preferiblemente al menos 3D es suficiente para generar el diferencial de presión requerido y preferiblemente esta longitud está dentro del intervalo de 2,5 D a 9 D.
La invención tendrá una mayor eficacia cuando el ángulo entre la superficie interior del conducto 5 y el eje central del conducto 5 esté dentro del intervalo de 10 a 30 grados. Cuando el conducto 5 comprende superficies que forman más de un ángulo con el eje central, el ángulo relevante mencionado anteriormente es el ángulo inicial en el extremo aguas arriba del conducto 5.
Ejemplos
Se realizaron y se sometieron a ensayo quemadores como se describen en la presente descripción. Un quemador tenía una tasa de encendido de diseño nominal de 3 MW y el otro tenía una tasa de encendido nominal de 5 MW. En la siguiente tabla se exponen dimensiones relevantes de cada uno de estos quemadores:
Figure imgf000006_0001
* La longitud del conducto central se mide desde el punto de comunicación del conducto central con la cavidad de fluido hasta el extremo aguas abajo del conducto central.
Se hicieron funcionar los quemadores en las condiciones que se exponen en la siguiente tabla:
Figure imgf000007_0001
Estos quemadores se pueden hacer funcionar a sus tasas de encendido de diseño nominales y a tasas de encendido distintas de la tasa de diseño. Por ejemplo, el quemador de 3 MW también puede hacerse funcionar a 1 MW y 2 MW. Se observó una desviación considerable del flujo en cada quemador. La velocidad del flujo de desviación se basa en el diámetro del orificio de desviación.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    Un aparato de quemador que comprende
    (A) un cuerpo de quemador que tiene:
    un conducto (5) central dentro del cuerpo de quemador que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo axialmente opuesto que desemboca en un extremo (2) aguas abajo del quemador (1), en donde el diámetro en sección transversal del conducto central aumenta en el sentido hacia el extremo aguas abajo;
    una pluralidad de primeros orificios (6) en el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) que están ubicados de manera sustancialmente uniforme alrededor del extremo aguas abajo del conducto (5) central, en donde los primeros orificios (6) están conectados por primeros conductos (26) dentro del cuerpo del quemador a una o más entradas (16) a través de las cuales puede alimentarse un primer fluido,
    y una pluralidad de segundos orificios (7) en el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) que están ubicados de manera sustancialmente uniforme alrededor del extremo aguas abajo del conducto (5) central, en donde los segundos orificios (7) están conectados por segundos conductos (27) dentro del cuerpo del quemador a una o más entradas (17) a través de las cuales puede alimentarse un segundo fluido, siendo los conductos primeros y segundos independientes unos de otros;
    en donde los primeros orificios (6) y los segundos orificios (7) están distantes de manera sustancialmente uniforme desde el eje central del conducto (5) central; y el eje de la pluralidad de primeros orificios (6) y de la pluralidad de segundos orificios (7) está orientado de modo que fluye gas hacia fuera de los orificios en paralelo al eje del conducto (5) central o formando un ángulo de hasta 10 grados o incluso hasta 45 grados con respecto al eje del conducto (5) central;
    y en donde el conducto (5) central, los primeros orificios (6) y los segundos orificios (7), son las únicas aberturas en el aparato de quemador a través de las cuales puede fluir fluido hacia fuera del extremo aguas abajo del aparato de quemador;
    (B) una cavidad (35) de fluido que se comunica en el extremo aguas abajo de la misma con el extremo aguas arriba del conducto (5) central del quemador, teniendo dicha cavidad (35) de fluido un diámetro D en el punto de comunicación entre la cavidad de fluido y el extremo aguas arriba del conducto central del quemador suficiente para permitir que el fluido que pasa a través de la misma tenga una velocidad supersónica, teniendo dicho conducto central una longitud desde dicho punto de comunicación hasta su extremo aguas abajo de 2D a 9D; y
    (C) un alojamiento (4) que rodea el extremo (2) aguas abajo del quemador (1) y que está abierto en el extremo del alojamiento que rodea el extremo aguas abajo del quemador, en donde el extremo (3) abierto del alojamiento (4) está ubicado a una distancia L aguas abajo del extremo (2) aguas abajo del quemador (1), en donde L es de al menos 25 % de la distancia a través del extremo abierto del alojamiento;
    caracterizado por comprender además el aparato de quemador una pluralidad de conductos (42, 43) de gas de desviación que tienen salidas (44, 45) de gas de desviación a través de las cuales se puede alimentar gas de desviación al interior de la cavidad (35) de fluido en una dirección sustancialmente perpendicular a la línea central axial de la cavidad de fluido, teniendo dichas salidas (44, 45) de gas de desviación un diámetro d de tal manera que d/D esté dentro del intervalo de 0,18 a 0,75, comunicándose dichos conductos (42, 43) con la cavidad de fluido de manera que los centros de las salidas (44, 45) de gas de desviación están en un punto dentro del intervalo de d/2 aguas arriba del punto de comunicación entre la cavidad (35) de fluido y el extremo aguas arriba del conducto central hasta ese punto de comunicación, donde D y d se expresan en las mismas unidades;
    comprendiendo la porción del alojamiento (4) que se extiende aguas abajo del extremo (2) aguas abajo del quemador (1) conductos (24) en la misma a través de los cuales puede fluir refrigerante para absorber calor generado por combustión que se produce en el quemador;
    teniendo el conducto (5) central una superficie interior que es cónica o curvada, en donde el diámetro en sección transversal del conducto central aumenta de manera que en el extremo
  2. (2) aguas abajo del quemador (1) el diámetro del conducto (5) central corresponde al diámetro interno del alojamiento (4); y
    estando ubicados la pluralidad de primeros orificios (6) y la pluralidad de segundos orificios (7) en la superficie interior del conducto (5) central.
    El aparato de quemador de la reivindicación 1 en donde dicho conducto (5) central tiene una longitud desde dicho punto de comunicación hasta su extremo aguas abajo de 3D a 9D.
  3. 3. El aparato de quemador de la reivindicación 1 o 2 en donde las salidas (44, 45) de gas de desviación están posicionadas para proporcionar gas de desviación al interior de la cavidad (35) de fluido en o aguas arriba del punto de comunicación entre la cavidad de fluido y el extremo aguas arriba del conducto (5) central.
  4. 4. El aparato de quemador de la reivindicación 3 en donde el número de salidas (44, 45) de gas de desviación es de 2 a 8.
  5. 5. El aparato de quemador de la reivindicación 1 o 2 en donde d/D está dentro de 0,18 a 0,25.
  6. 6. El aparato de quemador de la reivindicación 1 o 2 en donde la superficie del conducto (5) central forma un ángulo de 10 a 30 grados con su eje central.
  7. 7. Un método de combustión, que comprende:
    (A) alimentar combustible hacia fuera del extremo aguas abajo de un quemador (1) según la reivindicación 1 a través de los primeros orificios (6) del quemador;
    (B) alimentar oxidante gaseoso hacia fuera del extremo aguas abajo del quemador (1) a través de los segundos orificios (7) del quemador;
    (C) alimentar oxidante gaseoso a través de la cavidad (35) de fluido del quemador (1) mencionado anteriormente y a través y hacia fuera del extremo aguas abajo del conducto central del quemador (5), en donde el oxidante gaseoso fluye a través de la cavidad de fluido a una velocidad de al menos 121,9 m/s (400 pies por segundo) para establecer una zona de presión reducida adyacente a una porción de la superficie del conducto central;
    (D) realizar la combustión del combustible y el oxidante gaseoso; y
    (E) de manera periódica o continua, inyectar una corriente de gas de desviación que tiene un diámetro d al interior de la cavidad (35) de fluido en una dirección sustancialmente perpendicular a la dirección de flujo del oxidante gaseoso que pasa a través de la cavidad de fluido en un punto dentro del intervalo de d/2 aguas arriba del punto de comunicación entre la cavidad de fluido y el conducto (5) central hasta ese punto de comunicación, donde D y d se miden en las mismas unidades, cambiando de ese modo la dirección de flujo del oxidante gaseoso que pasa hacia fuera del extremo aguas abajo del conducto central.
  8. 8. El método de la reivindicación 7 en donde la velocidad de flujo del gas de desviación es de 0,5 al 4,0 por ciento de la velocidad de flujo del oxidante a través del conducto (5) central.
  9. 9. El método de la reivindicación 7 en donde el oxidante gaseoso fluye a través de la cavidad (35) de fluido a una velocidad de al menos 152,4 m/s (500 pies por segundo) para establecer una zona de presión reducida adyacente a una porción de la superficie del conducto (5) central;
  10. 10. El método de la reivindicación 7 o 9 en donde el gas de desviación comprende oxígeno.
  11. 11. El método de la reivindicación 9 en donde la velocidad de flujo del gas de desviación es de 0,5 al 3,0 por ciento de la velocidad de flujo del oxidante a través del conducto (5) central.
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