ES2942643T3 - Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un horno y a un proceso de combustión para la fusión de vidrio según el cual se introducen un primer combustible y un segundo combustible de la misma naturaleza o de diferente naturaleza en un laboratorio de fusión que consta de una pared frontal, una pared posterior, paredes laterales y una bóveda dispuesta sobre una cubeta para recibir el vidrio a fundir y contener el baño de vidrio fundido, según la cual el primer combustible es introducido por al menos un quemador (1) dispuesto en una primera pared e inyecta el segundo combustible por al menos al menos un inyector (4) en una segunda pared diferente de la primera pared, prevé la introducción de una corriente de aire comburente para la combustión del primer y segundo combustibles de manera que el quemador se ubica en un lugar cercano o en la vena de combustión aire y coloca el inyector en la segunda pared a una distancia suficiente del quemador,en una zona donde el segundo combustible se mezcla con los humos calientes que recirculan en el laboratorio procedentes de la combustión del primer combustible, de forma que se diluye en estos humos, antes de encenderse en el laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión de el primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, reduciendo la producción de NOx.encendido en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, reduciendo la producción de NOx.encender en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, reduciendo la producción de NOx.antes de la ignición en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx.ignite en el laboratorio en contacto con la combustión aire no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx. Encendido en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible , con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx.antes de la ignición en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx.ignite en el laboratorio en contacto con la combustión aire no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx. Encendido en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible , con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx.encender en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, reduciendo al mismo tiempo la producción de NOx.encender en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx.encender en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, reduciendo al mismo tiempo la producción de NOx.encender en laboratorio en contacto con el aire comburente no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido al vidrio a fundir, al mismo tiempo que se reduce la producción de NOx. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio

La presente invención concierne a un procedimiento de combustión para fundir vidrio, llevado a cabo en un horno de fusión de vidrio, sin embargo, la invención puede ser aplicada también a otros tipos de hornos de alta temperatura.

La mayoría de los tipos de vidrio, y en particular le vidrio plano o el vidrio de envase, son fabricados por fusión de materiales brutos en grandes hornos de fusión que producen de algunas decenas a algunos centenares de toneladas de vidrio al día y por unidad. El combustible utilizado en el seno de tales hornos es generalmente el gas natural o el fueloil pesado, aunque pueden ser utilizados igualmente otros combustibles. Ciertos hornos utilizan también la electricidad para aumentar la producción (boosting eléctrico). Para la fusión son necesarios hornos de alta temperatura (típicamente 1500 °C, o más). Se obtienen condiciones óptimas de temperatura de horno precalentando el aire de combustión (típicamente hasta 1000 °C, pero a veces más). El calor requerido para precalentar el aire de combustión es transmitido por los humos, lo que se hace generalmente utilizando regeneradores reversibles. Este modo de proceder permite obtener una alta eficacia térmica combinada con altas tasas de fusión. Existen varios tipos de hornos de fusión, de los cuales:

- Los hornos con quemadores transversales: en estos hornos, que tienen una superficie de fusión generalmente superior a 70 m2 y funcionan con una inversión del sentido de la llama de cada 20 minutos a 30 minutos aproximadamente, el calor contenido en los humos se recupera en regeneradores constituidos por apilamentos de ladrillos refractarios. El aire frío de combustión es precalentado durante su paso por los regeneradores (subida de aire), mientras que los humos calientes que salen del horno son utilizados para recalentar otros regeneradores (descenso de los humos). Estos hornos de una producción a veces superior a 600 t/día y utilizados para la fabricación del vidrio plano y del vidrio para envases son grades consumidores de energía. El esquema de funcionamiento de un horno transversal se presenta en la figura 1.

- Los hornos de bucle: en estos hornos, la llama (denominada a veces llama en herradura) describe un bucle. Estos hornos funcionan con una recuperación del calor de los humos por apilamientos que constituyen regeneradores que le restituyen al aire de combustión. El esquema de funcionamiento de un horno de este tipo se presenta en la figura 2.

El combustible es inyectado en el seno del horno en o cerca de la vena de aire que sale del regenerador. Los quemadores son diseñados para producir llamas a altas temperaturas con buenas cualidades radiativas para tener una transferencia térmica eficaz. Existen un cierto número de opciones para realizar la mezcla comburente/combustible. Los nombres de estas técnicas informan sobre el modo en que es introducido el combustible. Las configuraciones más frecuentemente encontradas son las siguientes:

- «Under port»: debajo de la vena de aire,

- «Over port»: por encima de la vena de aire,

- «Side port»: al lado de la vena de aire,

- «Through port»: a través de la vena de aire.

La elección entre estos diferentes modos de inyección es fácil de modo que se obtenga un resultado apropiado para la configuración de las venas de aire y del tipo de horno de fusión utilizado, así como en función de exigencias relacionadas con el aprovisionamiento de combustible (ejemplo: presión de gas disponible en un horno alimentado con gas natural) o incluso con la naturaleza del combustible.

Aunque tales métodos de combustión sean muy eficaces en términos de conducción de horno, los mismos inducen efectos no deseables tales como la producción de muy altos niveles de óxidos de nitrógeno (denominados en lo que sigue: NOx), uno de los contaminantes del aire más reglamentados. En la mayoría de los países industrializados, se imponen límites (en concentración y en flujo) en los hornos de vidrio de grandes capacidades a fin de reducir las emisiones de NOx. Además, la normativa se hace cada vez más drástica.

En los hornos a alta temperatura como en los hornos de fusión de vidrio, la vía principal de formación de los NOx es la vía «térmica» en la que los NOx se producen en zonas del horno en las que las temperaturas de llama son superiores a 1600 °C. Más allá de este umbral, la formación de los NOx aumenta de modo exponencial con la temperatura de llama. Desgraciadamente, las técnicas de combustión utilizadas generalmente en los hornos de fusión para crear llamas muy radiativas como las citadas anteriormente inducen elevadas temperaturas de llama (con máximos superiores a 2000 °C) y tienen como consecuencia generar emisiones de NOx muy superiores a las admitidas en numerosos países del mundo.

Además, una de las consecuencias de los modos de combustión tradicionales es que hay poco calor desprendido por la combustión en la mayor parte del volumen del horno, puesto que en efecto, los productos de combustión que rodean a la llama se enfrían progresivamente cediendo su calor al baño de vidrio.

En el transcurro del tiempo, los humos pasan a ser menos eficaces para transferir calor por radiación al baño de vidrio. Es posible aumentar, en proporciones significativas, la transferencia de calor por radiación de la llama al baño de vidrio si se encuentra el medio de aumentar la temperatura de los productos de combustión todavía presentes en el laboratorio de fusión.

Existen varias técnicas que permiten reducir las emisiones de NOx en los hornos de fusión regenerativos. Se distinguen los métodos primarios (en los que la reducción se hace durante la combustión), métodos secundarios (en los que la reducción se hace por tratamiento de los productos de combustión a la salida del horno) y métodos intermedios en los que el tratamiento se hace a la salida del laboratorio de fusión a nivel de los regeneradores (Procedimiento 3R de Pilkington o también reburning).

Los métodos que pueden ser utilizados son los siguientes.

- Método primario - Quemadores de «bajo-NOx». Existen, en el mercado, varios tipos de quemadores de «bajo NOx», es decir quemadores que permiten, incluso utilizados solos, reducir las emisiones de NOx. Sin embargo, sus prestaciones no permiten siempre llegar a los niveles de reducción necesarios para cumplir la normativa europea, o en vigor en otros países del mundo. Se encuentran de modo más particular los tipos de quemadores siguientes:

0 Quemadores de doble impulso - Estos quemadores producen una baja velocidad de gas en la raíz de la llama de modo que se reduce la temperatura de llama en la zona en la que se generan la mayoría de los NOx. Estos quemadores aumentan también la luminosidad de la llama, lo que favorece una disminución de temperatura del frente de llama por aumento de la transferencia radiativa de calor al baño de vidrio.

0 Inyección de gas envolvente o «Shrouded Gas Injection» - Con esta técnica, se inyecta combustible gaseoso a baja velocidad por encima de los quemadores «underport» a fin de bloquear los flujos comburentes/oxidantes y retardar la mezcla del gas a alta velocidad procedente de los quemadores «underport» con los chorros de aire, reduciendo así las temperaturas en la raíz de llama.

0 Ultra-baja velocidad de inyección del gas - Se utilizan Inyecciones de gas combustible a muy bajas velocidades (inferiores a 30 m/s) con quemadores especiales enfriados por circulación de agua a fin de minimizar la temperatura local de la llama y aumentar su luminosidad. La eficacia de este tipo de quemadores en términos de reducción de NOx depende mucho del diseño del horno.

- Método primario - Escalonamiento: Esta técnica utiliza los quemadores tradicionales para la inyección del combustible y la reducción del caudal de aire de combustión a través de la vena de aire para colocarse en condiciones de exceso de combustible e introducir el resto del comburente en otro lugar del horno para completar la oxidación del combustible. Este método capaz de reducir drásticamente las emisiones de NOx es sin embargo difícil de implementar y caro de poner en práctica porque el mismo necesita oxígeno puro o conductos de llegada de aire a más de 1000 °C para ser térmicamente eficaces (el escalonamiento del comburente en aire frío induciría una disminución de eficacia energética). Ejemplos de esta técnica de escalonamiento son:

• El escalonamiento del aire: Desviación del aire de combustión caliente procedente de los regeneradores utilizando un eyector hacia la cámara de combustión en dirección a los humos de modo que se realice una combustión completa. Este método necesita la utilización de conductos calorifugados y de aire frío para dirigir el eyector, de donde una pérdida de eficacia térmica. Esta técnica ha sido utilizada solamente en hornos de bucle y principalmente en Alemania.

• El escalonamiento del aire enriquecido en oxígeno u OEAS (de Oxygen Enriched Air Staging): El aire de combustión que entra en la vena de aire es admitido con un caudal insuficiente para una combustión completa a fin de crear condiciones subestequiométricas, y se inyecta oxígeno puro o aire enriquecido en oxígeno en la parte trasera del horno hacia el flujo de los humos de modo que se complete la combustión en la zona de recirculación del horno. Los inyectores OEAS se instalan generalmente en posición underport de modo separado de los quemadores. Esta técnica ha sido aplicada con éxito en los hornos de bucle y en los hornos transversales y esto principalmente en los Estados Unidos de América.

Entre las diferentes tecnologías de escalonamiento, la patente WO 97/36134 divulga un dispositivo de quemadores en línea. Este dispositivo permite escalonar el combustible en el seno de la vena de aire. El combustible facilitado al horno es dividido en dos, y una parte es inyectada aguas arriba del quemador directamente en el aire de combustión caliente. Este método no utiliza una inyección de combustible directamente en la cámara de combustión como en la presente invención. La técnica utiliza una inyección de combustible pero siempre acoplada con una inyección de aire.

- Método primario - Régimen de funcionamiento rico:

Esta técnica reduce las emisiones de NOx inyectando combustible suplementario en la cámara de combustión de modo que se cree una «atmósfera reductora» en la cámara de combustión. La atmósfera reductora convierte los NOx formados en la llama en nitrógeno y en oxígeno. En esta técnica, los NOx producidos en el frente de llama a alta temperatura son reducidos en un segundo tiempo.

En efecto, como muestra por ejemplo el documento JP-A-082008240, un combustible suplementario introducido por inyectores situados en la pared que soporta el quemador, en una pared lateral o enfrente del quemador se añade al combustible de origen que alimenta el o los quemadores. Sin embargo, según este método, al tiempo que se permiten realizar importantes reducciones de NOx en la cámara de combustión, es necesario facilitar aire de combustión suplementario después de la salida de la cámara de combustión. Este método requiere no solamente un consumo suplementario de combustible, sino que el combustible suplementario no se quema en la cámara de combustión y por tanto no participa en la fundición del vidrio.

Este procedimiento utiliza un sobreconsumo de combustible para reducir los NOx y su aplicación puede conducir a un aumento de las temperaturas en los regeneradores, y con el tiempo a la degradación de los regeneradores.

- Método secundario - Tratamiento de los humos: los NOx son tratados en su mayor parte a la salida de horno por utilización de procedimientos de reducciones químicas. Tales procedimientos necesitan la utilización de agentes reductores tales como el amoniaco o residuos de combustión hidrocarbonados con o sin presencia de catalizadores. Estos procedimientos, aunque capaces de alcanzar los niveles de reducción de NOx fijados por la normativa, son muy caros de instalar y de explotar, y en el caso de los procedimientos basados en los hidrocarburos como el procedimiento o sistema 3R explicado a continuación, se constata un aumento del 5 % al 15 % del consumo del combustible. Seguidamente se dan ejemplos de esta técnica.

Procedimiento 3R (Reaction and Reduction in Regenerators; Procedimiento patentado de la sociedad PILKINGTON UNITED KINGDOM LTD).

- En esta técnica, el gas es inyectado en el cerebro de cámara con el fin de consumir cualquier exceso de aire y producir condiciones de reducción en los regeneradores situados a la salida del horno que conduzcan a la conversión de los NOx en nitrógeno y en agua. Como debe utilizarse un exceso de gas, este se consume en la parte inferior de los regeneradores en la que se infiltra o inyecta el aire. El calor suplementario generado es recuperado generalmente por calderas. Para minimizar la cantidad de gas necesario en el sistema 3R, es habitual operar en el horno con el exceso de aire lo más bajo posible. Esta tecnología permite obtener los niveles de reducción de NOx impuestos por la normativa actual e incluso llegar a más. Generalmente, se necesita de un 5 % a un 15 % del consumo total de combustible del horno para la puesta en práctica del procedimiento 3R. La atmósfera reductora en los regeneradores es generalmente la causa de problemas con los refractarios que les componen.

Reducción catalítica selectiva o SCR (Selective Catalytic Reduction) - Este método utiliza un catalizador de platino para hacer reaccionar los NOx con amoniaco o urea de modo que se reduzcan los NOx en N2 y en agua. El proceso debe tener lugar a una temperatura específica y necesita un control preciso del amoniaco para evitar degradaciones accidentales que generen contaminación. Como esta reacción se hace en superficie, se necesitan amplias superficies de catalizador que implican equipos relativamente grandes. El procedimiento químico es relativamente complejo y exigente en términos de control/mando y de mantenimiento. Se consiguen niveles muy elevados de reducción de NOx, sin embargo la contaminación de los catalizadores por los humos cargados de partículas procedentes del horno de fusión de vidrio plantea problemas de colmatado y de corrosión. Al cabo de un cierto tiempo, los catalizadores deben ser remplazados con un precio de coste considerable.

El documento EP0882488 describe un horno de fusión de vidrio, los documentos US4347072 y US4599100 describen enfoques para reducir las emisiones de NOx y el documento JPH11132463 describe un quemador.

El objetivo de la invención es así proponer un procedimiento que permita poner remedio al conjunto de los inconvenientes anteriormente citados.

Más concretamente, la invención debe permitir reducir el pico de temperatura de la llama con el fin de reducir las emisiones de NOx al tiempo que aumente las temperaturas de los humos circundantes en el seno del horno (las emisiones de NOx producidas en estas zonas son muy bajas). Además, la invención permite mantener, o incluso aumentar, la transferencia de calor al baño de vidrio así como el rendimiento del horno.

La invención se define en las reivindicaciones 1 a 6.

El objetivo de la invención se logra con un procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según el cual se introducen dos combustibles, de la misma naturaleza o de naturalezas diferentes, en un laboratorio de fusión en dos lugares alejados uno del otro para repartir el combustible en el laboratorio de fusión con miras a limitar las emisiones de NOx, realizándose la alimentación de aire de combustión solamente en uno de los dos lugares.

El objetivo de la invención se logra igualmente con la puesta en práctica de un horno de fusión de vidrio, que comprenda un recipiente para recibir el vidrio que haya que fundir y contener el baño de vidrio fundido con, por encima del vidrio, paredes que forman respectivamente una pared delantera, una pared trasera, paredes laterales y una bóveda y que constituyen un laboratorio de fusión, denominado igualmente cámara de combustión, así como al menos una entrada de aire de combustión caliente (denominándose la entrada de aire de combustión igualmente «vena de aire»), por ejemplo a la salida de un regenerador, al menos una salida de humos calientes y al menos un quemador para introducir un primer combustible en el laboratorio de fusión.

Según la invención, el horno de fusión puesto en práctica comprende además al menos un inyector para inyectar un segundo combustible en una zona del laboratorio de fusión que está alejada del quemador y situada entre la bóveda y un plano horizontal situado a un nivel superior o igual a un plano horizontal que pasa por un borde inferior de la entrada del aire de combustión caliente, siendo el inyector regulable en caudal de manera complementaria con respecto al quemador a fin de poder inyectar hasta el 100 % de la totalidad de los primero y segundo combustibles utilizados por el inyector y el quemador, sean el primero y el segundo combustibles de la misma naturaleza o de naturalezas diferentes. Ventajosamente, el citado plano horizontal que delimita la zona de inyección del segundo combustible está situado entre la bóveda y un plano horizontal cuya distancia al baño de vidrio sea superior o igual a la altura mínima de la vena de aire en el laboratorio de fusión.

El segundo combustible no se inyecta directamente en el aire de combustión caliente en ningún caso.

De acuerdo con el lenguaje elegido en los párrafos anteriores, en el conjunto del presente texto, el término «quemador» designa exclusivamente un medio para inyectar y quemar el primer combustible mientras que el término «inyector» designa exclusivamente un medio para inyectar y quemar el segundo combustible.

Tradicionalmente, y en particular cuando se piensa en hornos existentes susceptibles de ser modificados para poner en práctica en los mismos la presente invención, se podría denominar también al quemador «quemador», y se debería entonces denominar al inyector «quemador auxiliar». Sin embargo, dicho lenguaje recargaría el presente texto y sería fuente de errores.

Asimismo, en la descripción del horno puesto en práctica según la invención y en la descripción de otros hornos cuyos quemadores estén situados en una misma pared o que tengan un solo quemador, la pared delantera es la que lleva el o los quemadores, la pared trasera es la pared opuesta y las paredes laterales son las otras dos paredes. Y en el caso de un horno de base rectangular, la presente definición se aplica de manera análoga a las secciones de pared correspondientes.

Por otra parte, cualquier indicación del número de quemadores o de inyectores dispuestos en el interior de un horno de fusión puesto en práctica según la invención se da puramente a modo de ejemplo y no prejuzga en absoluto un modo de realización particular de tal horno. En efecto, el principio de la presente invención es válido tanto cuando un horno de fusión puesto en práctica según la invención comprenda un solo quemador y un solo inyector como cuando el mismo comprenda varios, y no necesariamente un número igual, de quemadores y de inyectores.

Según la presente invención, se mantienen los quemadores existentes en un horno tradicional. Los mismos son completados por uno o varios inyectores que permitan introducir en el laboratorio de fusión, en una o varias zonas alejadas de los quemadores, otro combustible o bien una fracción del mismo combustible que el introducido por los quemadores. Esta inyección se denomina a veces auxiliar - por oposición a una inyección suplementaria, por ejemplo en post combustión - porque su objetivo no es aumentar la cantidad o el caudal de combustible, sino distribuir o repartir mejor la cantidad de combustible necesario para la cantidad y el tipo de vidrio que haya que fundir, al mismo tiempo que se reduzcan las emisiones de NOx.

Esta disposición de la invención, que por otra parte es válida tanto cuando el primero y el segundo combustibles sean de la misma naturaleza como cuando sean de naturalezas diferentes, es además el fundamento del modo de regulación del caudal de los inyectores denominado «de manera complementaria» indicado anteriormente.

En efecto, el caudal del segundo combustible varía en función del caudal del primer combustible de modo que, cuando el quemador no introduce la totalidad del combustible necesario para la fusión del vidrio, el resto es introducido por uno o varios inyectores dispuestos alejados del quemador y, llegado el caso, alejados uno de otro, en regiones o zonas del horno en las que el segundo combustible se mezclará inicialmente con los productos de combustión recirculados, es decir, que vienen del o de los quemadores y por tanto son pobres en oxígeno, antes de inflamarse en contacto con el aire de combustión caliente no consumido para alimentar la llama del o de los quemadores.

Obsérvese expresamente a este respecto que en los hornos de fusión según la presente invención no hay entrada de aire secundario para la combustión del segundo combustible, porque no hay postcombustión.

Generalmente, para obtener una reducción de la emisión de NOx, el quemador funciona con exceso de aire, es decir que el quemador introduce menos de primer combustible que el que permitiría el caudal de aire de combustión. Esto disminuye la temperatura de la llama del quemador con respecto a las temperaturas que alcanzaría la llama en condiciones estequiométricas y reduce así la emisión de NOx.

En el caso de la presente invención, cuando se quema el primer combustible, los productos de combustión llenan la cámara de combustión y por tanto están presentes en el lugar o en todos los lugares en los que esté colocado un inyector para introducir el segundo combustible. Durante la introducción del segundo combustible, éste en primer lugar se diluye en los productos de combustión del primer combustible y después se inflama a la llegada del aire de combustión no consumido por la combustión del primer combustible.

En lo que concierne a la disposición «alejada» de los inyectores, el alejamiento de las zonas (de disposición de los inyectores) del o de los quemadores depende por ejemplo de los datos geométricos del horno y por tanto del tiempo que tardarían los humos en llegar al inyector; el inyector debe estar suficientemente alejado del quemador para permitir a los humos llegar al inyector y mezclarse con el segundo combustible antes de que llegue el aire de combustión no consumido de la combustión del primer combustible, este aire no consumido inflama entonces el segundo combustible.

La disposición de uno o de varios inyectores con respecto al o a los quemadores de un horno de fusión de vidrio según la presente invención conduce a una combustión progresiva del combustible introducido en estas regiones o zonas, produciendo un aumento de la temperatura de los humos en estas zonas ricas en combustible así como un aumento de la transferencia de calor hacia el baño de vidrio.

El objetivo de la invención se consigue igualmente con un procedimiento de funcionamiento de fusión de un horno de fusión de vidrio que comprenda un recipiente de fusión para recibir el vidrio que haya que fundir y contener el baño de vidrio fundido con, por encima del vidrio, paredes que constituyen un laboratorio de fusión, al menos una entrada de aire de combustión caliente, al menos una salida de humos calientes, así como al menos un quemador y al menos un inyector para inyectar respectivamente un primero y un segundo combustibles en el laboratorio.

Según este procedimiento, se inyectan un primero y un segundo combustibles, de la misma naturaleza o no, en el horno por medio del o de los quemadores y del o de los inyectores, estando el o los inyectores dispuestos en una o unas paredes diferentes de aquélla en la que están situados el o los quemadores, y alejados del o de los quemadores, y se regulan el o los quemadores y el o los inyectores de modo complementario a fin de que la totalidad de los primero y segundo combustibles utilizados por el o los inyectores (4) y el o los quemadores (1) corresponda en gran parte al caudal total utilizado normalmente en el horno, sean el primero y el segundo combustibles de la misma naturaleza o de naturalezas diferentes.

La fracción de combustible que es introducida como segundo combustible, o la cantidad de un segundo combustible diferente del primero, es determinada para cada horno y puede legar hasta la totalidad de la cantidad de combustible. Según la invención el segundo combustible está en una cantidad comprendida entre el 30 % y el 100 % de la cantidad total de combustible que hacen el primer y el segundo combustibles.

Con esta técnica, según la cual el primer combustible es introducido en el horno de fusión con un exceso de aire con respecto al caudal de aire de combustión esteqquiométrica, como la fracción de combustible introducida por los inyectores no alimenta el quemador, la parte de combustible quemado con un frente de llama a alta temperatura es reducida, generando así menos emisión de NOx por la vía térmica.

El aire de combustión no utilizado por el quemador queda disponible para la combustión del segundo combustible introducido por el inyector.

Es también probable que el combustible introducido en las zonas del horno a altas temperaturas, pero con contenido de oxígeno reducido, se descomponga para producir hollín aumentando así la transferencia de calor de estas zonas hacia el baño de vidrio.

Los puntos de inyección potenciales pueden estar situados en las paredes laterales y en la parte trasera del horno y en la pared que forma una bóveda. En ciertos casos, para la inyección del segundo combustible puede ser particularmente interesante el centro de la bóveda, el cual, en el caso de las formas tradicionales rectangulares de los hornos de fusión de vidrio, es una línea de simetría transversal o una línea de simetría longitudinal de la bóveda con respecto a una dirección de referencia dada por la dirección de la llama del quemador, porque eligiendo este lugar, se puede dividir por dos el número de inyectores necesarios para la realización de la invención.

La selección de los puntos de inyección, de la dirección de los chorros a la salida del inyector y de la velocidad de estos chorros es esencial para el éxito de esta técnica de combustión. Las posiciones así como la geometría de los inyectores más convenientes deberán ser identificadas para cada horno de fusión.

La velocidad y la dirección de introducción del segundo combustible tienen una influencia sobre el resultado obtenido por la puesta en práctica de las diferentes disposiciones de la invención. Sin embargo, estas dos características son determinadas durante el diseño del dispositivo. Un error en la determinación de la posición de los inyectores o de su geometría puede no solamente comprometer la eficacia de la técnica de combustión sino también conducir a una disminución del rendimiento del horno así como a un aumento de la temperatura de los regeneradores refractarios. En los casos extremos, puede producirse una parada prematura del horno.

Los emplazamientos de los inyectores y las direcciones y velocidades de inyección de combustible más favorables, pero también las indicaciones claras en cuanto a las geometrías de inyectores que corren el riesgo de ser contraproducentes son determinadas ventajosamente con la ayuda de modelos que se obtienen por cálculos y ensayos. Tales modelos están basados en una combinación de técnicas de modelación física y matemática y tienen en cuenta los requisitos técnicos impuestos por la construcción de cada horno. La adopción de la configuración de combustión auxiliar más favorable sugerida por la modelación conduce a niveles de emisiones de NOx mucho más bajos que los generados por modos de combustión diferentes de los de la invención y esto, sin hacerlo en detrimento de una disminución del rendimiento del horno. La relación de combustible auxiliar es ajustada para obtener un compromiso entre la eficacia del horno y el nivel de las emisiones de NOx. Prediciendo las temperaturas en el seno del recinto, el modelo permite ajustar la relación de combustible auxiliar a fin de evitar cualquier punto caliente así como cualquier punto frío en las superficies internas del horno. Se vigilará particularmente evitar:

- la condensación de alcalinos en la bóveda o en las paredes del horno (desgaste de los refractarios), - la condensación de hidrocarburos en las paredes internas del horno,

- así como la modificación de la naturaleza del vidrio por adición de carbono a su composición.

Esto se hace posible por la modelación, permitiendo la misma la elección de un emplazamiento adecuado.

Tales modelos permiten por ejemplo en un horno de fusión transversal, determinar la posición de inyección situada en la bóveda y en el centro para un quemador que sea una de las más favorables para la reducción prevista de las emisiones de NOx, con una relación de combustible secundario inyectado variable en función de los límites de nivel de emisiones que haya que conseguir en este quemador. Una ventaja importante de la inyección simétrica en bóveda con respecto a la inyección lateral es la utilización de los mismos inyectores para el fuego en la izquierda y el fuego en la derecha.

En función del nivel global de reducción de NOx que haya que alcanzar en el horno, podrá variar el número de quemadores que haya que equipar con un inyector.

En lo que concierne a los hornos de bucle que presentan dos puertos en un extremo de la cámara de fusión y de afinado, y dos regeneradores estancos, comunicando cada uno respectivamente con un puerto, las inyecciones auxiliares en bóveda deben hacerse preferentemente, como las inyecciones en las paredes, en una zona situada entre la bóveda y un plano horizontal cuya distancia al baño de vidrio sea superior o igual a la altura mínima de la vena de aire.

Las inyecciones se harán, simétricamente o no, en una y otra parte del horno. La localización óptima del o de los puntos de inyección es realizada por utilización de un modelo, porque de un horno de bucle a otro las recirculaciones pueden ser diferentes, y esto principalmente debido a la relación anchura/longitud del horno.

Por consiguiente, se propone implementar la técnica de combustión auxiliar desarrollada aquí añadiéndola a la técnica de combustión ya presente en el horno. Esto se hace ajustando los flujos de combustible entre los inyectores y el quemador de modo que se realice un equilibrio entre reducción de los NOx, naturaleza del vidrio y eficacia térmica apropiada a cada instalación prevista.

Un ejemplo de realización de un horno de fusión puesto en práctica según la invención que permite obtener una reducción de los NOx con un mantenimiento, o un aumento, de las transferencias térmicas se describe más adelante. El modo de proceder de la invención permite también una implementación progresiva de esta nueva técnica de combustión, reduciendo así, o eliminando, los riesgos de pérdida de producción debidos a un daño en el horno. Finalmente, este modo de proceder permite al encargado, en cualquier instante, volver a su configuración de combustión inicial.

La técnica de combustión auxiliar de la invención, aunque desarrollada para ser utilizada en hornos de fusión de vidrio regenerativos, es susceptible de poder ser utilizada también en otros tipos de horno de fusión de vidrio (por ejemplo hornos Unit-Melter u hornos recuperativos), así como en hornos distintos que los hornos de fusión de vidrio.

Aunque esté previsto que el combustible inyectado por vías auxiliares sea gas natural, en los hornos alimentados con gas natural o con fueloil, no está excluida la utilización de diferentes combustibles tal como el biogás, el hidrogeno, los GPL y el fueloil.

Así, la presente invención concierne igualmente a las características siguientes consideradas aisladamente o según cualquier combinación técnicamente posible:

- el o cada uno de los inyectores está dispuesto en una zona situada entre la bóveda y un plano horizontal donde la distancia al baño de vidrio es superior o igual a la altura mínima de la vena de aire;

- el o cada uno de los inyectores es regulable en caudal de manera que puede inyectar hasta el 100 % de la totalidad del combustible utilizado por el o los inyectores y el o los quemadores;

- al menos una parte de los inyectores está dispuesta en la bóveda del horno;

- al menos una parte de los inyectores está dispuesta en las paredes laterales del horno;

- al menos una parte de los inyectores está dispuesta en la pared trasera del horno;

- al menos una parte de los inyectores está dispuesta en la pared del horno sobre la cual se sitúa el quemador principal;

- los inyectores son orientados al menos aproximadamente en una dirección opuesta a la dirección principal de las llamas de los quemadores del horno;

- los inyectores son orientados al menos aproximadamente en la misma dirección que las llamas de los quemadores del horno;

- los inyectores son orientados al menos aproximadamente en una dirección perpendicular a las llamas de los quemadores del horno;

- los inyectores son orientados al menos aproximadamente en una dirección transversal a las llamas de los quemadores del horno;

- los primero y segundo combustibles son de la misma naturaleza;

- los primero y segundo combustibles son de naturalezas diferentes.

Los inyectores pueden estar equipados con un sistema de puesta en rotación (swirler) que permita controlar la forma de la llama independientemente del caudal de combustible secundario de manera que se pueda inyectar hasta el 100 % de la totalidad de combustible utilizada por el o los inyectores y el o los quemadores sin afectar al baño de vidrio.

Los inyectores pueden estar equipados con un dispositivo que permite ajustar el impulso del combustible (doble impulso), independientemente del caudal de combustible secundario de manera que se pueda inyectar hasta el 100 % de la totalidad de combustible utilizado por el o los inyectores y el o los quemadores sin afectar al baño de vidrio. Los inyectores pueden ser de forma no circular o comprender varios chorros a fin de ajustar la forma de la llama sin afectar al baño de vidrio.

En el interior de un horno de fusión modificado para la puesta en práctica de la invención, la reducción de los óxidos de nitrógeno contenidos en los productos de combustión se obtiene utilizando la combinación de los quemadores ya presentes en el horno con inyectores auxiliares de combustible en las zonas de recirculación de los humos del citado horno. Las inyecciones se hacen según uno o varios chorros situados en emplazamientos óptimos en el horno, definidos utilizando una metodología basada en la simulación numérica que puede ser acoplada o no a la representación de los flujos por una maqueta fría del horno. El plano de las inyecciones puede ser paralelo, perpendicular o transversal a la superficie del baño de vidrio. La invención encuentra aplicación en el ámbito de la reducción de los óxidos de nitrógeno por método primario en los hornos de fusión del vidrio.

La invención permite.

- reducir las emisiones de NOx,

- reducir o eliminar los costes de post-tratamiento,

- mejorar el rendimiento del horno, y reducir las emisiones de NOx al tiempo que se mejora el rendimiento del horno. Además, la invención

- es aplicable cualquiera que sea el combustible que alimente al quemador,

- es aplicable con un combustible que alimente a los inyectores que sea de naturaleza diferente del que alimente a los quemadores del horno, en su caso el tipo de inyector debe adaptarse al combustible elegido,

- es aplicable con un combustible que alimente a los inyectores que sea de la misma naturaleza que el que alimente a los quemadores del horno, pudiendo corresponder entones el tipo de inyector al de los quemadores en lo que concierne a su adaptación al combustible,

- es puesta en práctica directamente en la cámara de combustión denominada también laboratorio de fusión, - permite la repartición del combustible entre los quemadores que equipan ya al horno y los inyectores auxiliares de modo que se determine la reducción de las emisiones de NOx combinada con un rendimiento adecuado para cada horno particular,

- puede ser utilizada con quemadores under-port, quemadores side-port, quemadores through-port o con cualquier otro tipo de quemador que equipe al horno inicialmente,

- puede utilizar la inyección por los inyectores, de una fracción del combustible inyectado por los quemadores, pero - puede también utilizar la totalidad del combustible por los inyectores.

La inyección auxiliar

- no es puesta en práctica directamente en la vena de aire,

- puede hacerse por la bóveda,

- puede hacerse por las paredes situadas delante o detrás del horno,

- puede hacerse por las paredes laterales,

- utiliza las posiciones así como los ángulos y velocidades de inyección determinados por un estudio paramétrico que utiliza las modelizaciones del horno cuya la transformación se pretende,

- puede hacerse con el mismo combustible o con un combustible diferente del inyectado por los quemadores, - puede hacerse con gas natural,

- puede hacerse con GPL,

- puede hacerse con fueloil,

- puede hacerse con gas de coquería,

- puede hacerse con gas de hornos altos,

- puede hacerse con gas de reformado,

- puede hacerse con biogás,

- puede hacerse con hidrógeno,

- puede hacerse con cualquier otro combustible.

Otras características y ventajas de la presente invención se pondrán de manifiesto en la descripción que sigue de un modo de realización de un horno para la puesta en práctica de la invención. Esta descripción se hace refiriéndose a los dibujos, en los cuales:

- las figuras 1 a 2 representan dos tipos de hornos de fusión utilizados antes de la invención;

- la figura 3 representa un horno de fusión transversal para la puesta en práctica de la invención en un corte horizontal que indica la zona de los inyectores auxiliares,

- la figura 4 representa, en un diagrama, los niveles de NOx en función de la repartición de potencia entre los quemadores principales y los inyectores auxiliares asociados,

- la figura 5 representa una vista esquemática de un horno para poner en práctica la invención en un corte vertical que indica un ejemplo de zona de inyecciones auxiliares,

- la figura 6 representa, en un diagrama, una comparación de los niveles de NOx y de CO obtenidos en un horno con y sin utilización de la invención,

- la figura 7 representa, en un diagrama, niveles de temperatura obtenidos en un horno con y sin utilización de la invención, y

- la figura 8 representa, en un diagrama, una comparación de transferencias térmicas obtenidas en un horno con y sin utilización de la invención.

Las figuras 1 y 2 representan cada una muy esquemáticamente dos tipos de hornos de fusión de vidrio utilizados tradicionalmente, a saber, un horno regenerativo transversal y un horno de bucle. Los dos tipos de hornos tienen una base rectangular limitada por cuatro paredes de las cuales las dos paredes que se extienden en el sentido de la longitud del horno son denominadas aquí las paredes laterales y las otras dos paredes son denominadas las paredes transversales. En altura, cada uno de los hornos está limitado por una bóveda.

En un horno de fusión de vidrio regenerativo transversal (véase la figura 1), los quemadores 1 están dispuestos en las paredes laterales 2 y funcionan alternativamente en un lado y en el otro durante aproximadamente de veinte minutos a treinta minutos por lado. El aire frío A de combustión es precalentado en dos recuperadores de calor R, a saber alternativamente, según el ritmo de funcionamiento de los quemadores, en aquél de los dos recuperadores que esté próximo a los quemadores en funcionamiento. Los humos resultantes F recalientan después aquél de los dos recuperadores R que está alejado de los quemadores en funcionamiento.

Y en un horno de bucle de fusión de vidrio (véase la figura 2), en el que la longitud del horno no supera mucho a la anchura del mismo, los quemadores 1 están dispuestos en una pared transversal 3. El alcance de la llama de cada uno de los quemadores 1 es tal que, bajo la influencia de la pared transversal opuesta, el extremo de cada una de las llamas describe un bucle. El aire frío de combustión es precalentado en una parte de un recuperador R de varias cámaras antes de ser dirigido como aire de combustión caliente AC hacia los quemadores. Los humos resultantes son dirigidos después hacia el otro regenerador para recalentarle.

En cada uno de los hornos, las llamas son dirigidas aproximadamente paralelamente a la superficie del baño de vidrio B.

La figura 4 representa, en un diagrama que indica el nivel de NOx alanzado en función de la repartición de potencia entre el quemador 1 y el o los inyectores 4, los resultados obtenidos en un horno de ensayo (o una célula de ensayo) semiindustrial. Se observará de modo más particular que el nivel de las emisiones de NOx disminuye con el aumento de la parte de combustible inyectado a través de los inyectores secundarios.

La figura 5 representa otra vez el horno de bucle de la figura 2, pero esta vez con indicación de la zona IN en la cual, según la invención: las inyecciones secundarias de combustible deben ser efectuadas en un espacio definido por encima de las llamas, es decir entre la bóveda V y un plano horizontal P cuya distancia al baño de vidrio B es superior o igual que la altura mínima de la vena de aire VA, es decir en una zona de laboratorio de fusión que está alejada del quemador y situada entre la bóveda y un plano horizontal que pasa por un borde inferior de la entrada de aire de combustión caliente.

Las inyecciones auxiliares se hacen ventajosamente, pero no necesariamente, simétricamente en una y otra parte del horno.

Según un modo de realización particularmente económico en número de inyectores 4, tal como está representado esquemáticamente en la figura 3, los inyectores están dispuestos en una zona correspondiente al menos aproximadamente a una zona central con respecto a los quemadores dispuestos en las paredes laterales del horno y que funcionan por lado alternativa o simultáneamente.

En esta vista se ve igualmente la llegada del aire frío A de combustión, su paso por los recuperadores de calor R para ser precalentado antes de entrar en el recipiente o laboratorio de fusión L, la salida de los humos calientes del laboratorio de fusión y su paso por los recuperadores de calor antes de salir del horno de fusión. Y de modo más particular se ve un ejemplo de disposición de inyectores. Se recuerda que la posición precisa de cada uno de los inyectores queda determinada por una combinación de cálculos según un modelo y de ensayos con el horno específico que debe estar equipado con talles inyectores.

Se han efectuado ensayos con un horno de fusión de este tipo con una potencia unitaria de los quemadores underport de 1,03 MW con un ángulo de inyección en el quemador de 10°, un factor de aire de 1,1, una temperatura de aire precalentado de 1000 °C y una temperatura de horno de 1500 °C. Los resultados están representados en las figuras 4, 6, 7 y 8.

La figura 6 representa, en forma de un diagrama, los niveles de CO y de NOx con 8 % de oxígeno para diferentes reparticiones de potencia entre un quemador y uno o unos inyectores atribuidos, estando el o los inyectores dispuestos en la bóveda del horno.

La figura 7 representa, en forma de un diagrama, los niveles de temperatura de bóveda para dos modos diferentes de funcionamiento del horno, a saber para un quemador solo y para un quemador con un inyector que inyecta entre el 30 % y el 100 % del combustible. Se constata que el procedimiento no provoca sobrecalentamiento de la bóveda.

La figura 8 representa, en forma de un diagrama, los flujos térmicos transmitidos a la carga sin y con inyección secundaria. En este ejemplo, el flujo térmico más elevado es para inyecciones secundarias comprendidas entre el 30 % y el 80 % del combustible.

La figura 6 representa, en forma de un diagrama, los niveles de NOx y de CO de un horno sin y con una inyección auxiliar que llega hasta el 100 % del combustible. Se observa que los niveles de NOx disminuyen cuando la parte de segundo combustible aumenta. Los niveles de CO a su vez aumentan progresivamente con la parte de combustible auxiliar pero en proporciones perfectamente tolerables.

Debe efectuarse un compromiso entre los niveles de NOx y de CO y el rendimiento. En el ejemplo presentado, este compromiso es realizado con un caudal de combustible comprendido entre el 50 % y el 70 % del caudal total.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según el cual se introducen un primer combustible y un segundo combustible, de la misma naturaleza o de naturalezas diferentes, en un laboratorio de fusión constituido por una pared delantera, una pared trasera, paredes laterales y una bóveda, dispuestos en la parte superior de un recipiente para recibir un vidrio que haya que fundir y contener un baño de vidrio fundido, procedimiento de combustión según el cual se introduce el primer combustible por al menos un quemador (1) dispuesto en una primera pared por la pared delantera, la pared trasera y las paredes laterales y se inyecta el segundo combustible por al menos un inyector (4) en una segunda pared por la pared delantera, la pared trasera, las paredes laterales y la bóveda, diferente de la primera pared, se introduce una vena de aire, el quemador está situado en un lugar cerca de o en la vena de aire y el inyector se sitúa en la segunda pared a una distancia del quemador suficiente en una zona en la que el segundo combustible se mezcla con los humos calientes que recirculan en el laboratorio de la combustión del primer combustible, para que el mismo se diluya en dichos humos, antes de inflamarse en el laboratorio en contacto con un aire de la vena no consumido por la combustión del primer combustible, con transferencia del calor producido hacia el vidrio que haya que fundir, al tiempo que se reduce la producción de NOx, el segundo combustible está en una cantidad comprendida entre el 30 % y el 100 % de una cantidad total de combustible que hacen el primer y el segundo combustibles.

2. Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según la reivindicación 1, caracterizado por que el o los quemadores (1) y el o los inyectores (4) están hechos para el primer y el segundo combustibles de la misma naturaleza.

3. Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según la reivindicación 1, caracterizado por que el o los quemadores (1) y el o los inyectores (4) están hechos para el primer y el segundo combustibles de naturalezas diferentes.

4. Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el o los quemadores (1) y el o los inyectores (4) están hechos para el primer y segundo combustibles que forman parte de un grupo de combustibles que comprenden gas natural, GPL, fueloil, gas de coquería, gas de hornos altos, gas de reformado, biogás, hidrógeno.

5. Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que se equipa al menos a uno de los inyectores (4) con un dispositivo de puesta en rotación del segundo combustible.

6. Procedimiento de combustión para la fusión de vidrio según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que se equipa al menos a uno de los inyectores (4) con un dispositivo que permite ajustar la impulsión del segundo combustible.