ES2961239T3 - Método para aumentar la eficiencia de los sistemas de combustión continua - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para optimizar sistemas de combustión continua que reduce el consumo de combustible, los gases de escape y las emisiones de partículas. El principio de funcionamiento se basa en la introducción de pequeñas cantidades de hidrógeno en el conducto de admisión de combustible del sistema, o preferentemente a lo largo de la cámara de combustión continua, con el fin de optimizar la combustión de combustibles convencionales, mejorando los parámetros de reacción de combustión. El presente método tiene el efecto de aumentar la temperatura de las paredes de la cámara, asegurando el reencendido y una combustión más completa, reduciendo así la cantidad de combustible suministrada. Esta combustión optimizada aumenta la eficiencia de la combustión y reduce su impacto en el medio ambiente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método para aumentar la eficiencia de los sistemas de combustión continua

Campo de la invención

La presente invención se refiere a los procesos de combustión de quema continua, ya sea en motores, cámaras o incluso hornos industriales convencionales.

Cabe señalar que el proceso de combustión implica un conjunto de reacciones de mecanismo radicalar, es decir, con especies en propagación conocidas como radicales libres, que se producen simultáneamente y, en general, la combustión será más completa cuanto mayor sea el contenido promedio de radicales libres presentes. Es bien sabido que los combustibles gaseosos o los de fácil vaporización se queman fácilmente, con excesos estequiométricos moderados de aire, pero para los combustibles sólidos, incluso si se han molido previamente, es necesario operar con mayores excesos de aire.

La combustión de hidrógeno en O2 ocurre muy rápidamente, en un proceso muy autoacelerado y altamente exotérmico que se convierte macroscópicamente en una explosión, la misma que ocurre en el aire (alrededor del 21 % de O2). La velocidad de onda de propagación de las explosiones de hidrógeno es mucho mayor que la explosión de combustibles comunes, induciendo la formación de altas concentraciones de radicales, asegurando una combustión más completa de los otros combustibles presentes.

Esta combustión más completa se evidencia por la reducción de los niveles de hidrocarburos en el efluente gaseoso, así como la reducción de los niveles de monóxido de carbono. Los niveles de NO2 son variables y dependen más de una serie de factores como la naturaleza del combustible utilizado, la geometría del horno y, en particular, la presencia de "puntos calientes" resultantes de la ventilación preferencial.

Especificando el caso de los hornos convencionales, se sabe que la mezcla de materias primas, previamente molidas, se alimenta, a menudo en contraflujo con los gases efluentes del horno en un sistema que permite el precalentamiento del suministro del horno, pero también permite reducir significativamente los niveles de algunos contaminantes de efluente gaseoso. En el horno tubular recubierto internamente con capas refractarias, el tiempo de residencia promedio de los gases es mucho menor que el tiempo promedio de residencia de la materia particulada.

En un balance térmico del horno tenemos que considerar los procesos endotérmicos, en particular la “pérdida de carbono” y el calor latente de fusión de las etapas de “fusión”, así como las pérdidas térmicas de diferente naturaleza, en particular en las zonas con menor aislamiento térmico de los multiciclones.

La presente invención viene a introducir en el proceso de combustión continua pequeñas cantidades de hidrógeno (o en la mezcla de HHO formada inicialmente) en el área de la quema de combustible sólido, trayendo al estado técnico de la técnica un efecto técnico inesperado de reducir consistentemente el consumo de combustible y las emisiones.

Estado técnico de la invención

En el estado técnico actual del uso de hidrógeno en la optimización de motores de combustión interna, podemos destacar la solicitud de patente PCT/PT2015/000043, que se refiere a un método para aumentar la eficiencia de los motores de combustión interna, actuando el hidrógeno en este proceso no como combustible, sino más bien como un optimizador de los parámetros de combustión en forma de oxidante alimentado junto con el aire al motor.

También podemos referirnos a los siguientes documentos, como el estado de la técnica más cercano de la invención:

• "Experimental and Numerical of the effects of hydrogen addition on the laminar structure of methane-nitrogen's jet in hot co-flow under MILD conditions", International Journal of Hydrogen Energy 38, 13802-13811 (2013), A. Sepman. et al. -describe una combustión en condiciones SUAVES que está en condiciones de flujo laminar con dilución de oxígeno. Se hace referencia en el documento que en estas condiciones “SUAVES” podemos conseguir una combustión sin llama, que en terminología inglesa se denomina “combustión sin flama” y en portugués será para designar “sem chama” o simplemente incandescente. La presente invención difiere de este documento, una vez que funciona en condiciones drásticamente diferentes, con un exceso convencional de aire y quemadores de hornos continuos convencionales, como por ejemplo hornos de producción de cemento. Además, en lo que respecta a las condiciones utilizadas de los niveles de hidrógeno son drásticamente diferentes, ya que ya sea en la parte de prueba del documento, ya sea en la página 13804, se muestra que el hidrógeno se está utilizando como combustible, y en condiciones en las que es posible considerar la estequiometría (por ejemplo, la reacción R3 explicada en esa página referida). En la presente invención, los contenidos de hidrógeno son decenas de veces más bajos y, por lo tanto, los resultados son inesperados y solo pueden explicarse por una propagación más rápida de la llama;

• GB 2089964 A - divulga un proceso de combustión que utiliza un quemador con inyección continua o pulsada con formación de plasma en la cámara de combustión, lo que difiere de la presente invención que utiliza un quemador convencional, para provocar una llama convencional y, por separado, a lo largo del horno, la introducción de hidrógeno se realiza en cantidades traza (lejos de la estequiometría);

JPH07190371 describe una turbina de gas en la que se inyectan pequeñas cantidades de hidrógeno u otros aditivos y reaccionan con radicales hidrocarbonados con el fin de reducir la formación de óxidos de nitrógeno generados por la combustión de combustible.

La presente invención difiere del estado de la técnica desde la introducción de pequeñas cantidades de hidrógeno en el área de combustión continua del combustible, lo que aumentará la eficiencia de los sistemas de combustión continua permitiendo reducir su impacto ambiental. El hidrógeno se produce a través de una reacción de electrólisis en una celda electroquímica.

Descripción detallada de la invención

El proceso para aumentar la eficiencia de los sistemas de combustión continua objetivo de la presente invención no es estequiométrico, y se produce preferentemente en horno continuo. En este proceso, el hidrógeno se utiliza como agente de reignición para promover una combustión más completa del combustible, y el hidrógeno se introduce en la alimentación de aire de la cámara de combustión continua en varios puntos posibles, elegidos juiciosamente en el horno de combustión, especialmente en puntos donde hay ocurrencia de transporte neumático de partículas solo incandescentes.

Para lograr el objetivo de la presente invención será necesario definir las siguientes características:

- puntos/entradas donde se debe introducir hidrógeno en la cámara donde se produce la combustión;

- cómo se introduce el hidrógeno: presión y frecuencia;

- intervalo de proporciones de hidrógeno.

La ubicación de las entradas de hidrógeno se puede hacer en varios lugares, ya sea en el aire que transporta combustible en su forma más simple, o preferiblemente en puntos donde el perfil de temperatura en estado casi estacionario, permitirá la autoinflamación inmediata del hidrógeno para evitar la acumulación. Este perfil de temperaturas puede determinarse mediante pirómetros ópticos, o midiendo la temperatura de la superficie exterior del horno a lo largo de su longitud, y derivarse mediante el cálculo de los valores de conductividad y disipación de radiación.

Preferentemente, los puntos de entrada de hidrógeno se encuentran a lo largo de la longitud del reactor a distancias mayores que el radio interno del cuerpo del horno (r), pero menores que su media longitud. Aún otra forma preferida, los puntos de entrada de hidrógeno están ubicados a lo largo de la longitud del reactor a distancias del interior del cuerpo del horno (r) entre 2r y 16r y entre 2r y 6r.

La sección recta del horno es elíptica, cuadrada, rectangular o trapezoidal y los puntos de entrada de hidrógeno se ubican a lo largo de la longitud del reactor a distancias mayores que el radio hidráulico, definidas de la manera habitual para el cálculo del número de Reynolds y la posterior determinación del coeficiente de fricción.

El número de Reynolds es un parámetro adimensional de particular importancia en la mecánica de fluidos que se calcula mediante la siguiente fórmula: Re = u.ro d/miu, donde:

U es la velocidad promedio del fluido;

Ro- es la densidad del fluido;

d-es un parámetro característico lineal;

Miu es la viscosidad promedio del fluido.

La introducción de hidrógeno se puede hacer de forma continua en los puntos de inyección elegidos, o de forma discontinua, con el fin de reducir la cantidad necesaria de hidrógeno, siendo similar el resultado final. Esta forma discontinua se puede mantener en forma pulsada. Por lo tanto, la admisión se hace preferiblemente discontinua en uno o más puntos a través de tuberías equipadas con una válvula antirretorno, así como un sistema de medición de dosis e interrupción. Esta introducción de hidrógeno tiene que hacerse siempre con presiones superiores a la presión máxima existente en el interior de la cámara de combustión.

Debemos aclarar que, en el caso del suministro pulsado, el período entre pulsos de inyección es menor que el tiempo promedio de residencia del material sólido en el horno, pero mayor que el tiempo de propagación de la deflagración de hidrógeno hasta llegar al extremo más alejado del horno y, por lo tanto, la falta de simultaneidad para evitar los armónicos resonantes.

Las condiciones de operación en términos del flujo de gas en el horno, corresponden a un número de Reynolds superior a 1,000, pero inferior a 108, y los puntos de entrada de hidrógeno se ubican a lo largo de la longitud del reactor a distancias mayores que el radio hidráulico definido de la manera habitual, pero siempre las distancias entre ellos por encima del radio hidráulico definido de la manera habitual, para el cálculo del número de Reynolds y la posterior determinación del coeficiente de fricción. Preferiblemente, las condiciones de operación en términos del flujo de gas en el horno corresponden a un número de Reynolds entre 10,000 y 107, es decir, siempre en condiciones de movimiento turbulento, y los puntos de entrada de hidrógeno se ubican a lo largo de la longitud del reactor a distancias mayores que el radio hidráulico determinado como de costumbre, para calcular el número de Reynolds y la posterior determinación del coeficiente de fricción.

La cantidad de hidrógeno a introducir en el proceso de combustión es, en comparación con el combustible principal, entre 0,001 y 0,1% (v/V) del volumen total de gases. Tenga en cuenta que el control de la introducción de hidrógeno se realiza en cascada, dependiendo del contenido de compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono, medido continuamente en la mezcla de gases efluentes del horno, para garantizar en la medida de lo posible una combustión completa.

Ensayos realizados en base a la invención

Las pruebas preliminares realizadas en un horno piloto permitieron mantener un perfil de temperatura muy similar al habitual, con reducciones promedio de suministro de combustible del 5 % utilizando mezcla de HHO inyectada en el flujo de aire secundario. La combustión más completa del carbón residual de petróleo se evidencia por la reducción significativa de las emisiones de VOCs (componentes orgánicos volátiles), así como la reducción del contenido de monóxido de carbono.

Para la realización de los ensayos se utilizó un horno de laboratorio tubular, con un diámetro de 5 cm y 80 cm de longitud, equipado con un quemador convencional “sin aire” (solo aire secundario) y trabajando con Aceite Combustible Fino (TFO) se estabilizó a una temperatura de 1,100°C, teniendo el exceso de aire secundario regulado por minimización de la señal de salida del opacímetro. Después de la estabilización, se tomaron medidas de los Compuestos Orgánicos Volátiles (VOCs) totales en los gases efluentes, así como el registro del valor leído en el opacímetro (por ejemplo, COV 720 ppm; OPACÍMETRO 4,3 UVO). Todas las pruebas se realizaron en condiciones estabilizadas de quemado y temperatura del horno, habiéndose realizado cinco repeticiones en cada prueba, para permitir la evaluación de reproducibilidad, habiéndose registrado en la siguiente tabla las variaciones de promedios observadas.

En los orificios de inspección, espaciados 10 cm, se conectaron tuberías metálicas de 1 mm de diámetro con una válvula antirretorno, con el fin de permitir que la mezcla de gas de introducción fluya conteniendo hidrógeno producido por electrólisis.

PRUEBA 1 (en blanco): en esta prueba se han medido las concentraciones de óxidos de nitrógeno (NOx), compuestos orgánicos volátiles (VOCs) totales y monóxido de carbono (CO) en el efluente gaseoso del horno, con cuidado de registrar solo los valores después de verificar que las condiciones se estabilizaron, es decir, después del transitorio de arranque. En este espacio en blanco no se hizo ninguna introducción de hidrógeno.

PRUEBA 2 - prueba realizada bajo las mismas condiciones de la prueba 1, pero con introducción continua de contenido de H2 correspondiente al 0,01% (V/V) del flujo de gas.

PRUEBA 3 - prueba realizada en condiciones idénticas a la prueba 1, con un flujo de gas total de H2 idéntico a la prueba 2, pero con la introducción de H2 de forma pulsada, con una frecuencia de 1 segundo, esto es 1 segundo de inyección seguido de 1 segundo de interrupción y así sucesivamente, utilizando una válvula giratoria idéntica a las utilizadas en la inyección de cromatografía preparativa.

PRUEBA 4 - prueba en absoluto análoga a la prueba 2 pero con un contenido de hidrógeno inyectado de 0,001% (V/V), es decir, diez veces menor.

PRUEBA 5 - en total similar a la prueba 3, pero con un contenido total de nitrógeno de 0,001% (V/V) para permitir comparar directamente con la prueba 4.

T l 1: R l l r

Los resultados obtenidos parecen indicar una mejor eficiencia en la reducción de COV y CO con una inyección pulsada de hidrógeno, pero por el contrario una reducción más significativa de la reducción de NOx en la introducción continua de hidrógeno.

Cabe destacar que todas las cantidades de H2 introducidas son vestigiales y están muy alejadas de las condiciones de combustión estequiométricas. Los cambios en los niveles de contaminantes observados son tan sorprendentes y muy difíciles de explicar.

Todo lo que se encuentra en la literatura referente a la introducción de H2 en sistemas de combustión, utiliza niveles de H2 mucho más altos, cientos de veces, y no es razonable hacer analogías, ni en términos de mecanismos considerar la aplicabilidad una vez que las reacciones de combustión en fase gaseosa tienen el paso cinético limitante de segundo orden por el cual la velocidad varía con el cuadrado de la concentración. Es tan sorprendente que las pequeñas cantidades de hidrógeno utilizadas puedan provocar el reencendido, lo que hace que la combustión del combustible primario sea más completa.

Los volúmenes registrados en media hora de funcionamiento se han corregido con valores tabulados de solubilidad en agua, admitidos en condiciones de saturación en el vaso de medición.

El uso de una válvula giratoria que permite la introducción de H2 en forma pulsada induce un aumento de la presión sobre el tubo de goma y, en consecuencia, dentro de la celda electrolítica. Por lo tanto, se repitieron las pruebas de verificación de flujo en el sistema de tubo de ensayo invertido en el tanque de agua. Se encontró que la pequeña diferencia observada (menos del 1 %) estará dentro del error experimentado del método utilizado y, por lo tanto, se debe concluir que la pequeña diferencia de presión inducida por la válvula no tiene una influencia significativa en el flujo de gas actual promedio con H2.

En la instalación de laboratorio usada, no es fácil cuantificar la reducción del consumo de combustible. Sin embargo, en las 25 pruebas (1 a 5 con 5 repeticiones) siempre ha sido necesario actuar sobre la válvula de aguja del quemador para reducir el flujo de combustible con el fin de mantener la misma temperatura media del horno. Esta reducción se realizó de forma iterativa siempre ya que la velocidad de respuesta de la temperatura promedio no es inmediata siendo necesario esperar al menos 3 minutos para asegurar la estabilización.

En los ensayos realizados con niveles mucho más bajos de H2 (0,0001 % y 0,00001 %) no se observó la variación de temperatura del horno y, por lo tanto, se debe suponer que el efecto sobre la eficiencia de la combustión ya no es observable en estos casos con el equipo de medición instalado.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Un método para aumentar la eficiencia de los sistemas de combustión continua, la combustión no siendo estequiométrica y produciéndose en dicho sistema de combustión continua, el método comprende las siguientes etapas: a. introducir una cantidad de hidrógeno, en relación con el combustible principal, entre 0,001 y 0,1 % (v/V) del volumen total de gases;

b. introducir hidrógeno, dicha introducción se realiza de forma continua o discontinua, en uno o más puntos de entrada en una cámara de cocción continua en la que dichos puntos de entrada son:

1. en el transporte aéreo de combustible; o

ii. en puntos donde el perfil de temperatura en estado casi estacionario permite la ignición automática del hidrógeno; c. medir continuamente el contenido de compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono en la mezcla de gases efluentes del sistema de combustión continua;

d. controlar la introducción de hidrógeno, dicho control se realiza en cascada, dependiendo de los contenidos de compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono medidos.

2. El método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en donde dicho sistema de combustión continua es un horno continuo.

3. El método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en donde la introducción de hidrógeno se realiza de forma discontinua, en uno o más puntos de entrada desde la cámara de combustión continua, por medio de tuberías equipadas con una válvula antirretorno, así como un sistema de suministro controlado e interrupción, a presiones mayores que la presión máxima dentro de la cámara de combustión.

4. El método de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 3, en donde el perfil de temperatura se determina mediante pirómetros ópticos, o midiendo la temperatura de la superficie exterior del horno a lo largo de la longitud respectiva, y se deriva mediante cálculo que incluye la conductividad y la disipación de radiación.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 2 y cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, en donde los puntos de entrada de hidrógeno están ubicados a lo largo de la longitud de un reactor a distancias mayores que el radio del cuerpo del horno (r), pero menores que la mitad de su longitud.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 2 y cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en donde los puntos de entrada de hidrógeno están ubicados a lo largo de la longitud de un reactor a distancias del radio interior del cuerpo del horno (r) entre 2r y 16r y entre 2r y 6r.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 2 y cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde el horno tiene una sección recta elíptica, cuadrada, rectangular o trapezoidal y los puntos de entrada de hidrógeno están ubicados a lo largo de la longitud de un reactor a distancias mayores que un radio hidráulico.