ES3070804T3 - Quemador y método de calentamiento transitorio - Google Patents

Quemador y método de calentamiento transitorio

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ES3070804T3
ES3070804T3 ES23745316T ES23745316T ES3070804T3 ES 3070804 T3 ES3070804 T3 ES 3070804T3 ES 23745316 T ES23745316 T ES 23745316T ES 23745316 T ES23745316 T ES 23745316T ES 3070804 T3 ES3070804 T3 ES 3070804T3
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Anandkumar Makwana
Anup Vasant Sane
Michael David Buzinski
Xiaoyi He
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Air Products and Chemicals Inc
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Abstract

Un quemador que incluye un primer elemento quemador con una primera boquilla anular de oxidante que rodea una primera boquilla interna de combustible; un segundo elemento quemador con una segunda boquilla anular de oxidante que rodea una segunda boquilla interna de combustible, estando el segundo elemento quemador situado adyacente y separado del primer elemento quemador; una boquilla de etapa configurada para hacer fluir oxidante secundario y situada adyacente y separada del segundo elemento quemador y separada del primer elemento quemador por el segundo elemento quemador; donde la primera boquilla interna y la segunda boquilla interna tienen cada una un eje mayor definido por una longitud L y un eje menor definido por una altura hf; donde 5 <= L/hf <= 15; donde la boquilla de etapa tiene un eje mayor; y donde los ejes mayores de la primera y la segunda boquilla interna y la boquilla de etapa son sustancialmente paralelos entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Quemador y método de calentamiento transitorio
[0003] Campo
[0004] La presente invención se refiere a quemadores y a métodos de calentamiento transitorio, así como a aparatos que usan estos quemadores y métodos de calentamiento transitorio (por ejemplo, hornos de reverbero, quemadores para hornos de reverbero, etc.), a aspectos operativos de los aparatos y a métodos de fabricación y uso de los mismos.
[0005] Antecedentes
[0006] Los quemadores de oxicombustión son conocidos por proporcionar calor primario o suplementario a hornos para una amplia gama de aplicaciones industriales. La presente solicitante posee varias patentes de este tipo, incluyendo las patentes de EE. UU. N.º 7.390.189, 8.806.897 y 10.584.051 (varios diseños y aplicaciones de quemadores de llama plana por etapas) y las patentes de EE. UU. N.º 9.360.257, 9.976.721, 9.657.945 y 9.689.312, al igual que la publicación de la Patente de EE. UU. N.º 2021/0116125 (varios diseños y aplicaciones de quemadores con múltiples elementos de quemador que pueden hacerse activos o pasivos para dirigir niveles más altos o más bajos de calor a determinadas partes de un horno). El documento EP 2924357 A11 divulga un quemador que comprende: una cara del quemador configurada para situarse en una superficie interior del horno cuando el quemador está montado en el horno, definiendo la cara del quemador un plano frontal del quemador; un primer elemento de quemador que tiene una primera tobera anular configurada para hacer fluir el oxidante primario que rodea una primera tobera interior configurada para hacer fluir el combustible; una tobera de escalonamiento configurada para hacer fluir el oxidante secundario, en donde la primera tobera interior tiene un eje mayor (w) definido por una longitud L de eje mayor medida en el plano frontal del quemador, un eje menor (a) definido por una altura hf del eje menor medida en el plano frontal del quemador, en donde la tobera de escalonamiento tiene un eje mayor definido por una longitud del eje mayor medida en el plano frontal del quemador y un eje menor definido por una altura del eje menor medida en el plano frontal del quemador; y en donde el eje mayor de la primera tobera interior y el eje mayor de la tobera de escalonamiento son paralelos entre sí.
[0007] Sumario
[0008] La presente invención describe realizaciones de un quemador que dirige selectivamente una llama mayor a una o más porciones de un horno y una llama menor a otra o más porciones de un horno, para permitir un mejor control de la distribución de temperatura en el horno.
[0009] La tecnología convencional de los quemadores de oxicombustión es para quemadores de oxicombustión, que, a menudo, o bien dirigen una única llama hacia la carga fundida, o bien realizan la combustión en el espacio situado por encima de la superficie del baño. La mayoría de los quemadores de llama múltiple que se ofrecen actualmente se pueden montar en la bóveda de un horno de reverbero. Sin embargo, en muchos hornos es un reto montar el quemador en la bóveda y no están homologados para funcionar como quemador flexible de combustible. Adicionalmente, la próxima generación de combustibles descarbonizados y que emitan menos gases de efecto invernadero podría necesitar un quemador que se pueda usar con combustibles tradicionales como el gas natural y que, al mismo tiempo, sea flexible en cuanto al tipo de combustible adecuado, de modo que también puedan funcionar con mezclas de gas natural e hidrógeno o con hidrógeno puro.
[0010] También se ha determinado que los hornos de fusión a menudo requieren que el calor se distribuya uniformemente en el horno para mejorar las características generales de fusión del horno. La combustión sin llama es una de esas formas de contribuir a mejorar la uniformidad de la distribución de calor. Sin embargo, la combustión sin llama no genera hollín, lo que puede reducir la transferencia de calor total a la superficie del baño debido a la ausencia de transferencia de calor por radiación desde el hollín al baño. Se ha determinado que en los hornos de fusión resulta deseable aumentar el flujo de calor por radiación desde las partículas de hollín hacia la carga fundida, proporcionando al mismo tiempo una mejora de la uniformidad de la distribución del calor dentro del horno. Puede ser importante que la cantidad de hollín producida se oxide completamente dentro del volumen del horno y que nada de hollín salga a través del conducto de humos del horno. Las realizaciones de nuestro aparato quemador pueden ayudar a resolver estos retos.
[0011] Las realizaciones de nuestro nuevo quemador pueden configurarse como un quemador de calentamiento transitorio de doble etapa que ayuda a transferir mejor el calor al baño/carga fundida y a reducir el potencial de sobrecalentamiento de la carga fundida. Adicionalmente, el quemador puede ser flexible en cuanto al combustible y funcionar con combustibles descarbonizados como, por ejemplo, el hidrógeno y las mezclas de hidrógeno y gas natural. Asimismo, unas realizaciones pueden proporcionar bajas emisiones de óxido nitroso (NOx) en comparación con el quemador de oxicombustión convencional y puede utilizar oxígeno a menor presión lo que puede ayudar a ahorrar costes de funcionamiento. Unas realizaciones del nuevo quemador se pueden usar junto con otros quemadores de aire-combustible u oxicombustión o como quemador de oxicombustión independiente en hornos de fusión para mejorar el funcionamiento del horno, lo que puede proporcionar tiempos de fusión más rápidos, mayor eficiencia energética, ahorro de combustible y aumento potencial de producción.
[0012] Unas realizaciones del quemador pueden estructurarse y configurarse tanto con escalonamiento de combustible como con escalonamiento de oxidante. El doble escalonamiento puede ayudar a conseguir una baja generación de NOx dentro de un horno en comparación con los quemadores convencionales de oxicombustión de un solo combustible. El escalonamiento de oxidante del quemador puede ayudar a reducir el oxígeno cerca de la superficie del baño, lo que puede ayudar a evitar la oxidación de la superficie del baño. Al evitar o reducir la oxidación de la superficie del baño, en comparación con los quemadores de aire-combustible u oxicombustible convencionales, se puede mantener o mejorar el rendimiento del horno durante su funcionamiento.
[0013] Adicionalmente, unas realizaciones del nuevo quemador pueden ser flexibles en cuanto al combustible y funcionar con combustibles tradicionales (por ejemplo, gas natural) y combustibles de baja intensidad de carbono (por ejemplo, hidrógeno) y/o mezclas de combustibles tradicionales y alternativos emergentes.
[0014] En plantas que no tienen acceso a una bóveda, una realización de nuestro quemador puede estructurarse como un quemador de llama plana montado en una pared lateral, lo que puede proporcionar una forma práctica de instalar la realización de nuestro quemador. Adicionalmente, las dos configuraciones de nuestro quemador (montaje en bóveda y montaje en pared lateral, que también pueden considerarse realizaciones de quemadores de orientación vertical y horizontal) se pueden usar juntas en el mismo horno para mejorar el funcionamiento general de un horno de fusión industrial.
[0015] Como se ha mencionado antes, se ha determinado que sería deseable proporcionar un quemador para un horno que pudiera ayudar a mitigar, si no, evitar, la formación de NOx durante la combustión de un combustible. Algunas realizaciones del quemador se pueden configurar para permitir que el quemador se retroadapte a un horno preexistente (por ejemplo, un horno de reverbero preexistente, que también puede denominarse horno de reverberación). Se pueden configurar unas realizaciones del quemador para sustituir los quemadores convencionales en hornos preexistentes o utilizarse junto con quemadores convencionales preexistentes para proporcionar un mejor rendimiento a la vez que también proporcionan una reducción de las emisiones de NOx. Otras realizaciones se pueden utilizar para sustituir completamente todos los quemadores convencionales preexistentes de un horno o para incluirse dentro de una nueva instalación de horno que puede configurarse para proporcionar calentamiento transitorio.
[0016] En algunas configuraciones, se pueden proporcionar realizaciones en las que un quemador pueda situarse en una pared lateral de un horno de reverbero por encima de un baño del horno y por debajo de un techo (o bóveda) del horno. El quemador puede adaptarse para permitir que el combustible con el que se alimenta el quemador sea enteramente de gas natural, enteramente de hidrógeno o una mezcla de hidrógeno y gas natural. Otras realizaciones pueden utilizar una mezcla diferente de combustible que puede incluir hidrógeno solo, hidrógeno mezclado con un combustible hidrocarburo (por ejemplo, gas natural, petróleo, etc.), y solo un combustible a base de hidrocarburos (es decir, gas natural, petróleo, etc.). En algunas realizaciones, el quemador puede situarse para proporcionar un calentamiento transitorio a un material metálico situado en un baño por debajo del quemador. En algunas configuraciones, el material metálico dentro del baño puede ser metal para la fusión de aluminio, fusión de hierro u otro tipo de operación de fusión de metales.
[0017] En algunas realizaciones, el quemador puede utilizar un primer y un segundo elemento de quemador que se sitúan debajo de una tobera de oxidante que se sitúa para que salga un flujo de oxidante. Cada uno de los elementos de quemador primero y segundo pueden incluir una abertura interior para que salga un combustible y una abertura exterior de forma anular para que salga un flujo oxidante que tiene oxígeno en el mismo y que está situada para rodear la abertura interior de la que puede salir el combustible. Los elementos de quemador de combustible, primero y segundo, pueden conectarse a un conjunto de colector de control del flujo de combustible configurado para proporcionar combustible a los elementos de quemador primero y segundo. El combustible puede ser gas hidrógeno, gas natural o una mezcla de gas natural e hidrógeno, por ejemplo. Las aberturas exteriores de los elementos de quemador de combustible, primero y segundo, pueden conectarse a una fuente de oxidante para la salida de oxígeno. La fuente de oxidante puede ser una salida de una unidad criogénica de separación de aire que proporciona un flujo de oxígeno a los elementos de quemador o puede ser otra fuente de un flujo de oxidante que puede incluir oxígeno en el mismo (por ejemplo, aire, una mezcla gaseosa que incluya una concentración suficiente de oxígeno, una mezcla fluida que incluya una concentración suficiente de oxígeno, etc.). Los elementos de quemador, primero y segundo, pueden disponerse para que estén en una alineación preseleccionada entre sí para facilitar la formación de una llama estable que tenga un perfil de bajas emisiones de NOx.
[0018] Los elementos de quemador también pueden disponerse y situarse para que trabajen conjuntamente con la tobera superior de oxidante, de modo que se proporcione una velocidad de combustible preseleccionada, una velocidad de flujo de oxidante preseleccionada, un nivel preseleccionado de escalonamiento de combustible y un nivel preseleccionado de escalonamiento de oxidante para ayudar a facilitar la formación de una llama estable que tiene un perfil de bajas emisiones de NOx. La disposición preseleccionada puede incluir, por ejemplo, (1) una colocación desplazada de un primer elemento inferior del quemador y un segundo elemento superior del quemador en una dimensión horizontal a lo largo de una pared que se encuentra dentro de un primer umbral de orientación preseleccionado, a la vez que también incluye (2) una separación vertical entre los elementos de quemador, primero y segundo, que están dentro de un primer umbral de separación vertical preseleccionado y (3) una separación vertical entre el segundo elemento superior del quemador y la tobera superior de oxidante que está dentro de un primer umbral de separación de tobera de oxidación preseleccionado, y (4) una separación vertical entre el primer elemento inferior del quemador y una salida de llama piloto situada debajo del primer elemento de quemador que está dentro de un primer umbral de separación de llama piloto preseleccionado. La longitud y la anchura de las diferentes toberas de los elementos de quemador también pueden estar dentro de unos intervalos preseleccionados de longitud y anchura para trabajar en conjunción con estos umbrales preseleccionados para ayudar a facilitar la formación de una llama estable que tenga un perfil de bajas emisiones de NOx. Los elementos de quemador, primero y segundo, también pueden estar configurados para incluir un ángulo de inclinación preseleccionado de -10° a 10° para proporcionar un flujo de combustible y oxidante inclinado hacia arriba, nivelado, inclinado hacia abajo, así como una orientación horizontal preseleccionada de modo que los elementos de quemador puedan hacer fluir flujos de combustible y/u oxidante con un ángulo horizontal relativo a salir recto de la pared (por ejemplo, con un ángulo de 0°) que varía de -20° a 20°. Las realizaciones de uno o más quemadores incluidos en un horno de reverbero pueden ayudar a limitar el oxígeno cerca de la superficie del baño. Tal característica puede ayudar a reducir o mantener la oxidación del baño metálico a un nivel básico. Unas realizaciones pueden proporcionar también una contrapresión baja de los flujos de oxígeno para evitar tener que usar una fuente de oxígeno de alta presión para los flujos de oxidante. Por ejemplo, se ha comprobado que algunas realizaciones pueden reducir las emisiones de NOx hasta en un 50 %. Estos mejores resultados se pueden obtener a la vez que también se mejora la eficiencia de las operaciones del horno. En algunas realizaciones, por ejemplo, se cree que la eficiencia de funcionamiento del horno en modo híbrido (sustituyendo un quemador de aire-combustible por un quemador de calentamiento transitorio en un horno de reverbero) se puede mejorar aproximadamente un 9 %, se puede aumentar la producción aproximadamente un 26 % y se puede conseguir un ahorro de combustible de aproximadamente un 26 %. Estas mejoras pueden lograrse a la vez que el horno también puede adaptarse para trabajar con una fuente de combustible descarbonizado (por ejemplo, hidrógeno como combustible) para reducir las emisiones de carbono, además de reducir las emisiones de NOx.
[0019] Se proporciona un aparato de calentamiento transitorio. El aparato puede incluir al menos un quemador que puede colocarse en una pared o bóveda del aparato para un calentamiento transitorio por encima de un baño del aparato de calentamiento transitorio. Cada uno de los al menos un quemador puede incluir: un primer elemento de quemador que tiene una primera salida exterior de flujo de oxidante que rodea una primera salida interior de combustible, un segundo elemento de quemador que tiene una segunda salida exterior de flujo de oxidante que rodea una segunda salida interior de combustible, en donde el segundo elemento de quemador está situado por encima del primer elemento de quemador, y una tobera superior de flujo de oxidante está situada por encima del segundo elemento de quemador. Las realizaciones del aparato de calentamiento transitorio pueden ser un horno de reverbero u otro tipo de horno o dispositivo de calentamiento transitorio. El al menos un quemador puede situarse en una pared lateral del horno, por encima del baño. El baño puede situarse para retener el metal para la fundición del metal. El metal puede ser aluminio, acero u otro tipo de metal.
[0020] Unas realizaciones pueden adaptarse para que el uno o más quemadores tengan una estructura y disposición particulares. Por ejemplo, la primera salida interior de combustible para un quemador puede tener una altura hf y una longitud L medidas en el plano frontal 10fp del quemador y la segunda salida interior de combustible también puede tener la hf y la L medidas en el plano frontal 10fp del quemador. Una parte superior de la primera salida exterior de flujo de oxidante puede estar separada verticalmente de una parte inferior de la segunda salida exterior de flujo de oxidante por una primera separación vertical H1 y una parte superior de la segunda salida exterior de flujo de oxidante puede estar separada verticalmente de una parte inferior de una salida de flujo de oxidante de la tobera superior de flujo de oxidante por una segunda separación vertical H2, de tal manera que (a) 2 <= H1/hf <= 20 y (b) 2 <= H2/hf <= 20 (donde "<=" es menor o igual que). La segunda salida interior de combustible y la primera salida interior de combustible también pueden disponerse de modo que un centro de la primera salida interior de combustible esté horizontalmente separado del centro de la segunda salida interior de combustible a una distancia de desplazamiento B, de tal manera que 0 <= B/L <= 1,5.
[0021] En algunas realizaciones, cada quemador también puede incluir un orificio de llama piloto situado debajo del primer elemento de quemador. Una parte superior del orificio de llama piloto puede estar separada verticalmente de una parte inferior de la primera salida exterior de flujo de oxidante a una tercera separación vertical H3, de tal manera que 2 <= H3/hf <= 20.
[0022] La tobera superior de flujo de oxidante puede tener una salida de flujo de oxidante que tenga una longitud X medida en el plano 10fp de hecho del quemador y una altura Y medida en el plano frontal 10fp del quemador, de tal manera que 10 <= X/Y <= 40 y 1 <= X/L <= 2,5. Otras realizaciones pueden utilizar diferentes especificaciones de longitud y altura para la salida del flujo de oxidante de la tobera superior de flujo de oxidante.
[0023] Como se ha indicado anteriormente, la primera salida interior de combustible puede tener una altura hf y una longitud L y la segunda salida interior de combustible también puede tener la hf y la L. La segunda salida interior de combustible y la primera salida interior de combustible pueden disponerse de modo que un centro de la primera salida interior de combustible esté horizontalmente separado del centro de la segunda salida interior de combustible a una distancia de desplazamiento B, tal que 0,0 <= B/L <= 1,5. En tales realizaciones, la altura hf y la longitud L también pueden definirse de modo que 5 < =L/hf < =15.
[0025] Las realizaciones del aparato de calentamiento transitorio también pueden incluir otros elementos. Por ejemplo, unas realizaciones pueden incluir un conducto de alimentación para la segunda salida interior de combustible del segundo elemento de quemador que se extiende linealmente desde un conducto de alimentación de combustible del segundo elemento de quemador hasta la segunda salida interior de combustible del segundo elemento de quemador en un primer ángulo horizontal preseleccionado con relación a una dirección horizontal en la que un conducto de alimentación de llama piloto se extiende linealmente hasta el orificio de llama piloto. Adicionalmente, puede haber un conducto de alimentación para la primera salida interior de combustible que se extienda linealmente desde un primer conducto de alimentación de combustible del elemento de quemador hasta la primera salida interior de combustible en un segundo ángulo horizontal preseleccionado con relación a la dirección horizontal en la que el conducto de alimentación de llama piloto se extiende linealmente hasta el orificio de llama piloto. El primer ángulo horizontal preseleccionado puede estar en un intervalo de 5° a 20° o mayor de 0° y menor o igual que 20° y el segundo ángulo horizontal preseleccionado puede estar en un intervalo de -5° a -20° o menor de 0° y menor o igual que -20°. Como alternativa, el primer ángulo horizontal preseleccionado puede estar en un intervalo de -5° a -20° o menor de 0° o menor o igual que -20°y el segundo ángulo horizontal preseleccionado puede estar en un intervalo de 5° a 20° o mayor de 0° y menor o igual que 20°. Como alternativa, se pueden utilizar otros intervalos de ángulos para el primer ángulo horizontal preseleccionado y el segundo ángulo horizontal preseleccionado.
[0027] Los elementos de quemador también pueden orientarse y situarse para proporcionar una salida inclinada hacia arriba o hacia abajo. Por ejemplo, los elementos de quemador, primero y segundo, pueden configurarse para incluir una inclinación preseleccionada que varía de -10° a 10° para proporcionar un flujo de combustible y oxidante inclinado hacia arriba, nivelado o inclinado hacia abajo. Por ejemplo, el paso de los conductos de alimentación o de la primera y segunda salidas interiores de combustible puede ser mayor de 0° y menor o igual que 10° o menor de 0° y mayor o igual que -10°. La inclinación del primer elemento de quemador (y de la primera salida interior de combustible) puede ser diferente de la inclinación del segundo elemento de quemador (y de la segunda salida interior de combustible) o la inclinación puede ser la misma para los elementos de quemador, primero y segundo, (y para las salidas interiores de combustible, primera y segunda). La inclinación de la primera salida exterior de flujo de oxidante puede ser la misma que la inclinación del primer elemento de quemador y/o la primera salida interior de combustible, y la inclinación de la segunda salida exterior de flujo de oxidante puede ser la misma que la inclinación del segundo elemento de quemador y/o la segunda salida interior de combustible (por ejemplo, su inclinación puede estar en un intervalo de -10° a 10°, etc.).
[0029] A modo de otro ejemplo, unas realizaciones del aparato de calentamiento transitorio también pueden incluir un sistema de control situado para controlar el funcionamiento del quemador con el fin de conmutar los modos de funcionamiento del primer elemento de quemador y del segundo elemento de quemador entre un modo de funcionamiento activo y un modo de funcionamiento pasivo. El sistema de control puede tener un bucle de control de realimentación definido para seleccionar entre el modo de funcionamiento activo y el modo pasivo para el primer elemento de quemador y el segundo elemento de quemador en función de los datos de detección de los sensores situados en el aparato o situados para detectar una o más condiciones en el aparato.
[0031] También se proporciona un método de funcionamiento de un aparato de calentamiento transitorio. Unas realizaciones del método pueden incluir situar al menos un quemador en una pared del aparato de calentamiento transitorio por encima de un baño del aparato de calentamiento transitorio. Cada uno de los al menos un quemador puede ser una realización de uno de los quemadores expuestos anteriormente. Por ejemplo, cada quemador puede incluir un primer elemento de quemador que tiene una primera salida exterior de flujo de oxidante que rodea una primera salida interior de combustible, un segundo elemento de quemador que tiene una segunda salida exterior de flujo de oxidante que rodea una segunda salida interior de combustible, donde el segundo elemento de quemador está situado por encima del primer elemento de quemador, y una tobera superior de flujo de oxidante situada por encima del segundo elemento de quemador.
[0033] Unas realizaciones del método pueden incluir otras etapas. Por ejemplo, el método también puede incluir la puesta en marcha del al menos un quemador, de modo que el primer elemento de quemador y el segundo elemento de quemador estén en modo activo, de tal manera que los elementos de quemador, primero y segundo, funcionen con una relación de equivalencia de entre 1,05 y 1,5. A modo de otro ejemplo, después de que el aparato de calentamiento transitorio funcione a una temperatura operativa preseleccionada que esté por encima de una temperatura de autoignición del combustible alimentado al el al menos a un quemador, el primer elemento de quemador puede conmutar de un modo activo a un modo pasivo. Acto seguido, el primer elemento de quemador puede conmutar del modo pasivo al modo activo, mientras que el segundo elemento de quemador conmuta del modo activo al modo pasivo tras un primer periodo de tiempo preseleccionado. El modo activo puede ser un modo en el que la relación de equivalencia esté entre 1,4 y 3,0, y el modo pasivo puede ser un modo en el que la relación de equivalencia esté entre 0,1 y 1,0.
[0035] Las realizaciones del método también pueden incluir el funcionamiento del al menos un quemador de tal manera que: (1) la salida de oxidante de una salida de flujo de oxidante de la tobera superior de flujo de oxidante esté entre el 5 % y el 40 % en volumen de un caudal total de oxidante del quemador y (2) la salida de oxidante del primer elemento de quemador tiene un caudal que está dentro del 10 % de un caudal de oxidante de la salida de oxidante del segundo elemento de quemador.
[0036] También se proporcionan realizaciones de un quemador para un aparato de calentamiento transitorio. Las realizaciones del quemador pueden incluir realizaciones del quemador expuesto anteriormente. Por ejemplo, el quemador puede incluir un primer elemento de quemador que tiene una primera salida exterior de flujo de oxidante que rodea una primera salida interior de combustible, un segundo elemento de quemador que tiene una segunda salida exterior de flujo de oxidante que rodea una segunda salida interior de combustible, donde el segundo elemento de quemador está situado por encima del primer elemento de quemador, y una tobera superior de flujo de oxidante situada por encima del segundo elemento de quemador. Las realizaciones del quemador también pueden incluir los demás elementos y características expuestas anteriormente.
[0037] Por ejemplo, un quemador para el calentamiento transitorio de un horno puede incluir un frontal del quemador configurado para poder situarse en una superficie interior del horno cuando el quemador está montado en el horno. El frontal del quemador puede definir un plano frontal del quemador. El quemador puede incluir también un primer elemento de quemador que tiene una primera tobera anular configurada para hacer fluir oxidante primario, que rodea una primera tobera interior configurada para hacer fluir combustible y un segundo elemento de quemador que tiene una segunda tobera anular configurada para hacer fluir oxidante primario, que rodea una segunda tobera interior configurada para hacer fluir combustible. El segundo elemento de quemador se puede situar adyacente a y separado del primer elemento de quemador. Se puede configurar una tobera de escalonamiento para hacer fluir el oxidante secundario. La tobera de escalonamiento se puede situar adyacente a y separada del segundo elemento de quemador, de tal manera que el segundo elemento de quemador se pueda situar entre la tobera de escalonamiento y el primer elemento de quemador. La primera tobera interior y la segunda tobera interior pueden tener cada una un eje mayor definido por una longitud L de eje mayor, medida en el plano frontal del quemador, un eje menor definido por una altura hf del eje menor, medida en el plano frontal del quemador, y una relación de aspecto de la tobera de combustible de 5 <= L/hf <= 15. La tobera de escalonamiento puede tener un eje mayor definido por un eje mayor de longitud X, medida en el plano frontal del quemador y un eje menor definido por un eje menor de altura Y, medida en el plano frontal del quemador. El eje mayor de la primera tobera interior, el eje mayor de la segunda tobera interior y el eje mayor de la tobera de escalonamiento pueden ser sustancialmente paralelos entre sí dentro de una desviación menor o igual que 5°.
[0038] Las diferentes dimensiones de los elementos de quemador, primero y segundo, así como de la tobera de escalonamiento pueden adaptarse para cumplir un conjunto de criterios de diseño preseleccionados. Por ejemplo, la longitud y la altura de la tobera de escalonamiento se pueden seleccionar de modo que la tobera de escalonamiento tenga una relación de aspecto de 10 <= X/Y <= 40. Los elementos de quemador y la tobera de escalonamiento también pueden dimensionarse y configurarse de modo que 1 <= X/L <= 2,5.
[0039] Los elementos de quemador y la tobera de escalonamiento también pueden estar separados entre sí para cumplir un criterio de diseño preseleccionado. Por ejemplo, el segundo elemento de quemador puede estar separado del primer elemento de quemador a una distancia H1 en donde 2 <= H1/hf <= 20 y la tobera de escalonamiento puede estar separada del segundo elemento de quemador a una distancia H2 en donde 2 <= H2/hf <= 20. El quemador también puede incluir un orificio de llama piloto situado adyacente a y separado del primer elemento de quemador y a una distancia H3, en donde 2 <= H3/hf <= 20.
[0040] Los elementos de quemador también pueden tener otros criterios de diseño espacial. Por ejemplo, el eje menor de la primera tobera interior también puede estar desplazado respecto al eje menor de la segunda tobera interior a una distancia B, en donde 0 < B/L <= 1,5. El eje menor de la primera tobera interior y el eje menor de la segunda tobera interior pueden ser sustancialmente paralelos entre sí dentro de una desviación menor o igual que 5°.
[0041] En un ejemplo más de los criterios de diseño espacial y de dimensionamiento que se pueden utilizar para el quemador, el quemador puede incluir también un orificio de llama piloto, como se ha indicado anteriormente. El orificio de llama piloto puede situarse debajo del primer elemento de quemador. Una parte superior del orificio de llama piloto puede estar separada verticalmente de una parte inferior de la primera tobera anular a una tercera separación vertical H3, de tal manera que 2 <= H3/hf <= 20. Una parte inferior del segundo elemento de quemador puede estar separada de una parte superior de la primera tobera anular a una primera distancia vertical H,1 en donde 2 <= H1/hf <= 20. Una parte inferior de la tobera de escalonamiento puede estar separada de una parte superior de la segunda tobera anular a una segunda distancia vertical H2, en donde 2 <= H2/hf <= 20. El eje menor de la primera tobera interior también puede estar desplazado respecto al eje menor de la segunda tobera interior a una distancia B, en donde 0 < B/L <= 1,5. El eje menor de la primera tobera interior y el eje menor de la segunda tobera interior pueden ser sustancialmente paralelos entre sí dentro de una desviación menor o igual que 5°.
[0042] El quemador también puede incluir conductos de combustible que pueden suministrar combustible a las toberas interiores, primera y segunda, de los elementos de quemador, primero y segundo. Por ejemplo, puede haber un primer conducto de combustible configurado para suministrar combustible a la primera tobera interior. El primer conducto de combustible puede tener un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el primer conducto de combustible. El eje longitudinal puede intersecar el plano frontal del quemador con un ángulo α con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -α) con respecto al eje mayor de la primera tobera interior. Un segundo conducto de combustible puede estar configurado para suministrar combustible a la segunda tobera interior. El segundo conducto de combustible puede tener un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el segundo conducto de combustible. El eje longitudinal del segundo conducto de combustible puede intersecar el plano frontal del quemador con un ángulo α con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -α), con respecto al eje mayor de la segunda tobera interior. El eje longitudinal del primer conducto de combustible y el eje longitudinal del segundo conducto de combustible pueden formar un ángulo entre sí de 2α u otro valor angular preseleccionado. En algunas configuraciones, el ángulo α puede estar en un intervalo de 0 < α <= 20° o 5° < α <= 20°. El primer conducto de combustible configurado para suministrar combustible a la primera tobera interior que tiene un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el primer conducto de combustible también puede estructurarse de modo que el eje longitudinal interseque el plano frontal del quemador con un ángulo β con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -β) con respecto al eje menor de la primera tobera interior. Tal configuración puede proporcionar, por ejemplo, una inclinación al primer conducto de combustible. El segundo conducto de combustible configurado para suministrar combustible a la segunda tobera interior que tiene un eje longitudinal alineado con la dirección de flujo de combustible en el segundo conducto de combustible también puede estructurarse de tal manera que el eje longitudinal interseque el plano frontal del con un ángulo β con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -β) con respecto al eje menor de la segunda tobera interior. En tales configuraciones, el eje longitudinal del primer conducto de combustible y el eje longitudinal del segundo conducto de combustible pueden formar, cada uno, un ángulo alejándose de la tobera de escalonamiento y el ángulo β puede estar en un intervalo de 0 < β <= 10° o 0 < β <= 5°.
[0043] Se puede proporcionar al quemador un flujo total de combustible y un flujo total de oxidante en una relación de equivalencia, en donde una relación de equivalencia de 1 denota una relación estequiométrica de combustible y oxidante, una relación de equivalencia mayor que 1 indica una estequiometría rica en combustible y una relación de equivalencia menor que 1 indica una estequiometría pobre en combustible. Se puede programar un controlador para controlar independientemente el flujo de combustible a cada una de la primera tobera interior y la segunda tobera interior y para controlar la distribución del flujo total de oxidante para que consista en un flujo de oxidante primario repartido entre la primera tobera anular y la segunda tobera anular y un flujo de oxidante secundario proporcionado a la tobera de escalonamiento, de tal manera que el flujo de oxidante primario sea del 60 % al 95 % del flujo total de oxidante y el flujo de oxidante secundario sea un resto del flujo total de oxidante (por ejemplo, del 5 % al 40 % del flujo total de oxidante). El flujo de oxidante primario puede repartirse asimismo entre la primera tobera anular y la segunda tobera anular en una proporción de 0,9 a 1,1.
[0044] El controlador también puede programarse para hacer funcionar el quemador en un modo proporcional en el que el flujo total de combustible se suministra a la primera tobera interior y a la segunda tobera interior, de tal manera que la relación de equivalencia del primer elemento de quemador sea de 1,05 a 1,5 y la relación de equivalencia del segundo elemento de quemador sea de 1,05 a 1,5.
[0045] El controlador se puede programar para hacer funcionar el quemador en un modo alternante. Por ejemplo, el controlador se puede programar para hacer funcionar el quemador en un modo alternante, en el que el reparto del flujo total de combustible entre la primera tobera interior y la segunda tobera interior conmuta alternativamente entre un primer estado en el que el primer elemento de quemador está activo mientras que el segundo elemento de quemador está pasivo y un segundo estado en el que el primer elemento de quemador está pasivo mientras que el primer elemento de quemador está activo. Un elemento de quemador activo puede estar caracterizado por una relación de equivalencia de 1,4 a 3 y el elemento de quemador pasivo puede estar caracterizado por una relación de equivalencia de 0,1 a 1. El controlador se puede programar para conmutar entre el primer estado y el segundo estado en función de uno o más del transcurso de un periodo de tiempo predeterminado y de los datos de al menos un sensor situado para detectar al menos una condición en el horno.
[0046] La primera tobera anular y la segunda tobera anular pueden tener cada una un eje mayor y un eje menor que coinciden con el eje mayor y el eje menor de la primera tobera interior y la segunda tobera interior, respectivamente. El eje menor de cada una de la primera tobera anular y la segunda tobera anular puede estar definido por una altura ho. El combustible puede salir de cada una de la primera tobera interior y la segunda tobera interior a una velocidad de combustible, el oxidante primario puede salir de cada una de la primera tobera anular y la segunda tobera anular a una velocidad de oxidante primario, y la relación ho/hf se puede dimensionar para obtener una relación entre la velocidad del combustible y la velocidad del oxidante primario de 1 a 4.
[0047] También se proporciona un horno. El horno puede incluir una pared, una bóveda, un baño de material sólido y/o líquido, y una realización del quemador situado en la pared de modo que el primer elemento de quemador esté más cerca del baño que el segundo elemento de quemador y la tobera de escalonamiento esté más cerca de la bóveda que el segundo elemento de quemador. La realización del quemador utilizado en el horno puede ser cualquiera de las realizaciones expuestas en el presente documento, por ejemplo.
[0048] También se proporciona un método de funcionamiento de un quemador en un horno. El método puede incluir hacer fluir un flujo total de oxidante hacia el quemador, consistente en un flujo de oxidante primario repartido entre la primera tobera anular y la segunda tobera anular, y un flujo de oxidante secundario proporcionado a la tobera de escalonamiento, en donde el flujo de oxidante primario es del 60 % al 95 % del flujo total de oxidante, y en donde el flujo de oxidante primario repartido entre la primera tobera anular y la segunda tobera anular tiene una relación de 0,9 a 1,1. El flujo de oxidante secundario puede ser del 40 % al 5 % del flujo total de oxidante. El método también puede incluir hacer fluir un flujo total de combustible hacia el quemador.
[0049] El método también puede incluir conmutar el funcionamiento del quemador entre un modo proporcional y un modo alternante. Cuando está en el modo proporcional, el flujo total de combustible se puede repartir entre la primera tobera interior y la segunda tobera interior, de tal manera que la relación de equivalencia del primer elemento de quemador sea de 1,05 a 1,5 y la relación de equivalencia del segundo elemento de quemador sea de 1,05 a 1,5. Cuando está en modo alternante, el flujo total de combustible repartido entre la primera tobera interior y la segunda tobera interior puede conmutar alternativamente entre un primer estado en el que el primer elemento de quemador está activo mientras que el segundo elemento de quemador está pasivo y un segundo estado en el que el primer elemento de quemador está pasivo mientras que el segundo elemento de quemador está activo y en donde un elemento de quemador activo está caracterizado por una relación de equivalencia de 1,4 a 3 y un elemento de quemador pasivo está caracterizado por una relación de equivalencia de 0,1 a 1. En tales realizaciones del método, una relación de equivalencia de 1 indica una relación estequiométrica entre el combustible y el oxidante, una relación de equivalencia mayor que 1 indica una estequiometría rica en combustible y una relación de equivalencia menor que 1 indica una estequiometría pobre en combustible.
[0050] Otros detalles, objetivos y ventajas de los métodos de calentamiento transitorio, aparatos para el calentamiento transitorio, quemadores para hornos de reverbero, y métodos de fabricación y uso de los mismos se pondrán de manifiesto a medida que avance la siguiente descripción de determinadas realizaciones ilustrativas de la misma.Breve descripción de los dibujos
[0051] En los dibujos se muestran realizaciones ilustrativas de quemadores para calentamiento transitorio y métodos para fabricar y usar los mismos. En los dibujos, los caracteres de referencia similares identifican componentes similares. La Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de un horno de reverbero 1 en el que está montado un quemador de calentamiento transitorio 10 en una pared lateral 6.
[0052] La Figura 2 es una vista frontal en perspectiva de una primera realización ilustrativa de un quemador de calentamiento transitorio 10.
[0053] La Figura 3 es una vista superior, esquemática, en sección transversal de la primera realización ilustrativa del quemador 10 de la Figura 2.
[0054] La Figura 4 es una vista esquemática, en sección transversal de la primera realización ilustrativa del quemador 10 de la Figura 2.
[0055] La Figura 5 es una ilustración esquemática de una disposición ilustrativa de conductos de combustible para alimentar con combustible los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, de la primera realización ilustrativa del quemador 10.
[0056] La Figura 6 es una vista frontal de la primera realización ilustrativa del quemador 10.
[0057] La Figura 7 es una vista ampliada fragmentada del segundo elemento de quemador superior 15 rodeado por el círculo F7 de las Figuras 6 y 8.
[0058] La Figura 8 es una vista frontal de la primera realización ilustrativa del quemador 10.
[0059] La Figura 9 es una vista frontal de la primera realización ilustrativa del quemador 10, similar a las vistas de las Figuras 6 y 8, que ilustra un ejemplo de orientación alternativa de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo.
[0060] La Figura 10 ilustra los resultados de una evaluación computacional de dinámica de fluidos de una realización del quemador 10 en un horno.
[0061] La Figura 11 ilustra los resultados de una evaluación computacional de dinámica de fluidos de una realización del quemador 10 en un horno.
[0062] La Figura 12 es un gráfico en el que se comparan el NOx normalizado en kilogramos por gigalulios (kg/GJ) (libras por millón de unidades térmicas británicas (lbs/MMBtu)) en función del porcentaje de fuga del aire en el horno, para un quemador de oxicombustión convencional y realizaciones de un quemador de calentamiento transitorio.Descripción detallada
[0063] Como se puede ver mejor en las Figuras 2-9, un quemador de calentamiento transitorio 10 puede incluir una pluralidad de elementos de quemador y situarse entre un orificio de llama piloto inferior 11 del que puede salir una llama piloto y una tobera de escalonamiento 17 de la que puede salir un flujo de oxidante desde una salida 17o de flujo de oxidante definida en un lado caliente 10h del cuerpo del quemador 10. El lado caliente 10h del cuerpo del quemador 10 puede situarse orientado hacia el interior de la cámara del aparato de calentamiento transitorio por encima del baño 2. En algunas realizaciones, la tobera de escalonamiento 17 también se puede denominar tobera superior 17 de flujo de oxidante.
[0064] La pluralidad de elementos de quemador puede incluir un primer elemento 13 de quemador que está separado de un segundo elemento de quemador superior 15. El primer elemento 13 de quemador inferior puede estar entre el orificio inferior de llama piloto 11 y el segundo elemento 15 de quemador. El segundo elemento 15 de quemador puede estar situado entre el primer elemento 13 de quemador y la tobera de escalonamiento 17 (por ejemplo, la tobera superior 17 de flujo de oxidante).
[0066] El primer elemento 13 de quemador inferior puede incluir o tener una primera tobera interior 13IN que tiene una primera salida interior 13f de combustible de la que puede salir un flujo de combustible hacia la cámara por encima del baño 2 y por debajo del segundo elemento de quemador superior 15. La primera salida interior 13f de combustible de la primera tobera interior 13IN puede estar rodeada por una primera salida exterior 13o de flujo de oxidante de la primera tobera anular 13AN del primer elemento 13 de quemador (por ejemplo, un perímetro de la primera salida interior 13f de combustible puede estar totalmente rodeado o circundado por la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante). La primera salida exterior 13o de flujo de oxidante puede hacer que salga un flujo de oxidante hacia la cámara por encima del baño 2. La salida de combustible de la salida interior 13f de combustible del primer elemento 13 de quemador puede estar dentro de un intervalo preseleccionado de caudal de combustible del primer elemento de quemador y la salida de flujo de oxidante de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante puede estar dentro de un intervalo preseleccionado de caudal de oxidante del primer elemento de quemador. La salida de flujo de oxidante de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante puede tener una concentración preseleccionada de oxígeno que está dentro de un intervalo preseleccionado de concentración de oxígeno del flujo de oxidante del primer elemento de quemador. En algunas realizaciones, la concentración de oxígeno para la salida de flujo de oxidante de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante puede ser de 90 por ciento en volumen (% en volumen) de oxígeno a 100 % en volumen de oxígeno. Otras realizaciones pueden utilizar una concentración de oxígeno de entre 21 % en volumen y 100 % en volumen de oxígeno. Otras realizaciones pueden utilizar una concentración de oxígeno de menos de 21 % en volumen de oxígeno y más de 10 % en volumen de oxígeno o una concentración de al menos 26 % en volumen de oxígeno, al menos 40 % en volumen de oxígeno, al menos 70 % en volumen de oxígeno o al menos 98 % en volumen de oxígeno.
[0068] El segundo elemento 15 de quemador puede incluir una segunda tobera interior 15IN que está situada dentro de una segunda tobera anular 15AN (por ejemplo, la segunda tobera anular puede rodear a la segunda tobera interior). Por ejemplo, la segunda tobera interior 15IN puede tener una segunda salida interior 15f de combustible de la que puede salir un flujo de combustible hacia la cámara por encima del baño. La segunda salida interior 15f de combustible del segundo elemento 15 de quemador puede estar rodeada por la segunda tobera anular 15AN del segundo elemento 15 de quemador, que puede estar configurado para tener una segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante. La segunda tobera anular 15AN puede hacer que salga un flujo de oxidante a la cámara por encima del baño 2 (por ejemplo, un perímetro de la segunda salida interior 15f de combustible puede estar totalmente rodeado o circundado por la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante). La salida de combustible de la salida interior 15f de combustible del segundo elemento 15 de quemador puede estar dentro de un intervalo preseleccionado de caudal de combustible del segundo elemento de quemador y la salida de flujo de oxidante de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante puede estar dentro de un intervalo preseleccionado de caudal del segundo elemento de quemador. La salida de flujo de oxidante de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante puede tener una concentración preseleccionada de oxígeno que está dentro de un intervalo preseleccionado de concentración de oxígeno del flujo de oxidante del segundo elemento de quemador. En algunas realizaciones, la concentración de oxígeno para la salida de flujo de oxidante de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante puede ser de 90 en porcentaje de volumen (% en volumen) de oxígeno a 100 % en volumen de oxígeno. Otras realizaciones pueden utilizar una concentración de oxígeno de entre 21 % en volumen y 100 % en volumen de oxígeno. Otras realizaciones pueden utilizar una concentración de oxígeno de menos de 21 % en volumen de oxígeno y más de 10 % en volumen de oxígeno o una concentración de al menos 26 % en volumen de oxígeno, al menos 40 % en volumen de oxígeno, al menos 70 % en volumen de oxígeno o al menos 98 % en volumen de oxígeno.
[0070] La tobera de escalonamiento 17 puede estar configurada como una tobera 17 de flujo de oxidante y puede incluir una salida 17o de flujo de oxidante de la que sale un flujo de oxidante con un caudal que puede estar dentro de un intervalo preseleccionado de caudal de oxidante superior. El flujo de oxidante desde cada una de la primera tobera 13o de oxidante, la segunda tobera 15o de oxidante y la tobera de escalonamiento 17 habitualmente tienen una concentración volumétrica de oxígeno molecular (O2) de 21 % en volumen a 100 % en volumen. Más generalmente, un oxidante puede ser aire, aire viciado (es decir, gas con menos de aproximadamente un 20,9 % de oxígeno), aire enriquecido con oxígeno (es decir, gas con más de aproximadamente un 20,9 % de oxígeno) u oxígeno esencialmente puro (es decir, gas con aproximadamente un 100 % de oxígeno). En realizaciones preferidas, el oxidante es un aire enriquecido con oxígeno que tiene una concentración de oxígeno de al menos 26 % en volumen de oxígeno, al menos 40 % en volumen de oxígeno, al menos 70 % en volumen de oxígeno o al menos 98 % en volumen de oxígeno.
[0072] El combustible y el oxidante se suministran al quemador 10 mediante unos conductos que se extienden desde la cara 10h del quemador hacia atrás, a través del cuerpo del quemador y hacia fuera más allá de la cara trasera 10c, como se muestra en las Figuras 3 y 4. El oxidante se suministra al quemador a través de un conducto de oxidante que alimenta una cámara impelente de oxidante, que sirve de colector para distribuir el oxidante a la primera tobera anular 13o, la segunda tobera anular 15o y la tobera de escalonamiento 17o. Se distribuyen caudales de oxidante aproximadamente iguales a cada una de la primera tobera anular 13o y la segunda tobera anular 15o, mientras que la cantidad de oxidante distribuida a la tobera de escalonamiento 17o se controla mediante una válvula (no mostrada).
[0073] El combustible para el primer elemento 13 de quemador se suministra a un primer conducto 13c de combustible que define un eje longitudinal 13L que se extiende a través de la primera tobera interior 13f. El combustible para el segundo elemento 15 de quemador se suministra a un segundo conducto 15c de combustible que define un eje longitudinal 15L que se extiende a través de la segunda tobera interior 15f.
[0074] El combustible se suministra a los elementos 13 y 15 de quemador mediante una disposición de control de flujo, como se muestra en la Figura 5. Una fuente 28 de suministro de combustible proporciona combustible a un primer tren de flujo que tiene una válvula 30 y una derivación 31b que circunvala la válvula 30, y a un segundo tren de flujo que tiene una válvula 30 y una derivación 31b que circunvala la válvula 30.
[0075] El primer tren de flujo suministra combustible a la primera tobera interior 13f del primer elemento 13 de quemador, mientras que el segundo tren de flujo suministra combustible a la segunda tobera interior 15f del segundo elemento 15 de quemador, como se muestra en las Figuras 6A y 6B.
[0076] Cuando la válvula 30 del primer tren de flujo está abierta y el combustible fluye tanto a través de la válvula 30 como de su correspondiente derivación 31b del primer tren de flujo, el flujo de combustible hacia la primera tobera interior 13f es mayor que cuando la válvula 30 está cerrada y el combustible fluye solo a través de la derivación 31b. De manera similar, cuando la válvula 30 del segundo tren de flujo está abierta y el combustible fluye tanto a través de la válvula 30 como de la derivación 31b del segundo tren de flujo, el flujo de combustible hacia la segunda tobera interior 15f es mayor que cuando la válvula 30 está cerrada y el combustible fluye solo a través de la derivación 31b.
[0077] Las dos válvulas 30 están controladas por un controlador CTRL programado para hacer funcionar el quemador 10, de tal manera que al menos una de las válvulas 30 esté siempre abierta y, a veces, ambas válvulas 30 estén abiertas. Cuando la válvula 30 del primer tren de flujo está abierta y la válvula 30 del segundo tren de flujo está cerrada, el primer elemento 13 de quemador está en modo activo, mientras que el segundo elemento 15 de quemador está en modo pasivo; y a la inversa, cuando la válvula 30 del primer tren de flujo está cerrada y la válvula 30 del segundo tren de flujo está abierta, el primer elemento 13 de quemador está en modo pasivo, mientras que el segundo elemento 15 de quemador está en modo activo. Cuando ambas válvulas 30 están abiertas, ambos elementos 13 y 15 de quemador están en un modo activo. Habitualmente, el quemador 10 no funciona con las dos válvulas 30 cerradas, ya que no se espera que este sea un modo de funcionamiento útil, aunque luego se determine que es útil, el controlador CTRL se puede programar para incluir ese modo de funcionamiento del quemador 10.
[0078] El combustible se suministra por separado a un conducto piloto 24 que se conecta al orificio de llama piloto, que se usa con fines de encendido y para cuando el horno está por debajo de la temperatura de autoignición del combustible. Un lado más frío 10c del quemador 10 puede estar enfrente del lado caliente 10h. Como se puede apreciar mejor en las Figuras 3-5, el lado más frío 10c del quemador 10 puede incluir una disposición de conductos a través de los cuales se pueden transportar los flujos de combustible y oxidante hasta el orificio inferior 11 de llama piloto, los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, y la tobera de escalonamiento 17 (que puede considerarse una tobera superior 17 de flujo de oxidante para la realización ilustrada). Por ejemplo, se puede hacer salir combustible desde un colector 28 de control de combustible para alimentar con combustible un conducto 29a de alimentación de combustible del primer elemento de quemador y un conducto 29b de alimentación de combustible del segundo elemento de quemador para alimentar con combustible las toberas interiores, primera y segunda, de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, del quemador.
[0079] Se puede alimentar con flujos de oxidante al primer elemento 13 de quemador, al segundo elemento 15 de quemador y a la tobera de escalonamiento 17 (por ejemplo, la tobera superior 17 de flujo de oxidante) a través de conductos de suministro de oxígeno que proporcionan fluido oxidante que contiene oxígeno desde una fuente de oxígeno a la primera tobera anular 13AN del primer elemento 13 de quemador, a la segunda tobera anular 15AN del segundo elemento 15 de quemador, y a la tobera de escalonamiento 17 para que se puedan hacer salir flujos de oxidante desde la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante, la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante y la tobera de escalonamiento 17. Ejemplos de la fuente de oxígeno pueden ser una unidad criogénica de separación de aire de la que salga uno o más flujos de oxígeno que puedan alimentar las toberas o una unidad de adsorción por cambio de vacío (VSA, por sus siglas en inglés de "Vacuum Swing Adsorption") que pueda producir al menos un flujo de oxígeno. Otras fuentes de oxidante para los flujos de oxidante pueden ser otras unidades de la planta que pueden proporcionar un flujo de oxidante al quemador (por ejemplo, un compresor para alimentar aire como flujo de oxidante, un compresor para alimentar aire enriquecido con oxígeno como flujo oxidante, etc.).
[0080] El quemador 10 es capaz de funcionar con cualquier combustible gaseoso, incluyendo, aunque no de forma limitativa, gas natural (es decir, principalmente metano), hidrógeno o una mezcla de gas natural e hidrógeno en cualquier proporción deseada. En algunas realizaciones, el combustible que proporciona el colector 28 de control de combustible puede incluir gas natural, hidrógeno o una mezcla de hidrógeno y gas natural. Por ejemplo, una fuente 26 de hidrógeno y una fuente 25 de gas natural se pueden conectar al colector 28 de control de combustible a través de los conductos de alimentación para alimentar con hidrógeno y/o gas natural al colector 28 de control de combustible. El colector de control de combustible puede estar configurado para retener el combustible y/o mezclar el combustible (por ejemplo, mezclar el hidrógeno con el gas natural cuando ambos se alimentan al colector de control de combustible para proporcionar un combustible que incluya hidrógeno y gas natural como combustible) y alimentar el combustible a uno o más conductos de alimentación de combustible mediante una disposición de válvulas y uno o más recipientes. El colector 28 de control de combustible puede conectarse a los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, del quemador 10 a través de conductos de alimentación de combustible (por ejemplo, el conducto 29a de alimentación de combustible del primer elemento de quemador, el conducto 29b de alimentación de combustible del segundo elemento de quemador, etc.) para alimentar el combustible, de modo que este salga por la abertura interior de combustible de la tobera interior de cada elemento de quemador.
[0081] El conducto 29a de alimentación del primer elemento de quemador y el conducto 29b de alimentación del segundo elemento de quemador pueden incluir, cada uno, una disposición de conductos y una válvula 30 de control, de modo que se alimente al menos una cantidad mínima de combustible a la abertura interior de la tobera de combustible a la que está conectado el conducto de alimentación. Por ejemplo, el combustible recibido desde el colector 28 de control de combustible puede pasar a un segmento 31a del conducto de alimentación de combustible aguas abajo de un conducto de alimentación de un elemento de quemador, de modo que el combustible pueda pasar a lo largo de un segmento 31b del conducto de flujo de derivación y/o pasar a través de una válvula 30 de control a un segmento 31c del conducto aguas abajo, conectado a una abertura de tobera de combustible interior para que el combustible salga hacia la cámara por encima del baño 2. El segmento 31a del conducto de alimentación de combustible aguas abajo puede situarse entre la válvula 30 de control y el colector 28 de control de combustible, de modo que esté aguas arriba de la válvula 30 de control y aguas abajo del colector 28 de control de combustible. El segmento 31b del conducto de flujo de derivación puede situarse entre el segmento 31a del conducto de alimentación de combustible aguas arriba y el segmento 31c del conducto de alimentación de combustible aguas abajo, de modo que el combustible del segmento 31a del conducto de alimentación de combustible aguas arriba pueda pasar al segmento 31c del conducto aguas abajo sin tener que pasar por la válvula 30 de control. El segmento 31c del conducto aguas abajo puede situarse entre la tobera interior del elemento de quemador al que está conectado el conducto de alimentación de combustible y la válvula 30 de control. El segmento 31c del conducto aguas abajo también puede situarse entre la tobera interior a la que está conectado el conducto de alimentación de combustible y a la salida del segmento 31b del conducto de flujo de derivación.
[0082] Para aumentar la cobertura de la llama del horno, el primer elemento 13 de quemador puede formar un ángulo en una o ambas direcciones, es decir, con respecto a su eje mayor y/o con respecto a su eje menor. De manera similar, el segundo elemento 15 de quemador puede formar un ángulo en una o ambas direcciones, es decir, con respecto a su eje mayor y/o con respecto a su eje menor.
[0083] Como se puede apreciar mejor en las Figuras 3 y 4, el primer elemento 13 de quemador y el segundo elemento 15 de quemador pueden estar alineados de modo que el flujo de salida de combustible de cada una de las toberas interiores, primera y segunda, de estos elementos de quemador esté en un ángulo horizontal α con relación a un ángulo recto centrado (por ejemplo, un ángulo de 0° con relación al frontal de la pared en la que está montado el quemador, o el ángulo con el que sale el combustible de llama piloto para esa llama a través del orificio 11 de llama piloto). El ángulo horizontal α puede estar en un intervalo de /- 5° a /- 20°.
[0084] Los límites inferior y superior del ángulo horizontal α se pueden definir o determinar de modo que el combustible se queme totalmente antes de salir del horno. Si el ángulo incluido es demasiado grande, el combustible y el oxidante no se mezclarán correctamente dentro del volumen del horno. Si el ángulo es demasiado bajo, las dos llamas podrían no cubrir adecuadamente la anchura del horno dejando puntos fríos en el horno. El ángulo final entre las toberas se puede determinar por la anchura del horno. Adicionalmente, la anchura del horno es otro parámetro que determina este ángulo horizontal incluido α. La anchura puede afectar al ángulo horizontal deseado α porque se desea impedir que la salida de la llama de la tobera choque contra la pared del horno.
[0085] Por ejemplo, el conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible del segundo elemento 15 de quemador puede extenderse linealmente desde el conducto 29b de alimentación del segundo elemento de quemador hasta la segunda salida interior 15f de combustible del segundo elemento 15 de quemador en un ángulo horizontal α con relación a la dirección horizontal en la que el conducto 11c de alimentación de llama piloto se extiende linealmente hasta el orificio 11 de llama piloto. Este ángulo horizontal se puede considerar un primer ángulo horizontal preseleccionado o un ángulo horizontal preseleccionado del segundo elemento 15 de quemador. Se debe apreciar que al menos una porción del conducto de alimentación 15c puede incluir el segmento 31c del conducto aguas abajo o ser enteramente este segmento.
[0086] También se puede considerar que el ángulo horizontal α para el segundo elemento 15 de quemador es un ángulo α en el que el eje longitudinal 15L del conducto de alimentación 15c para el segundo elemento 15 de quemador interseca el lugar frontal 10fp del quemador con respecto perpendicular y en un ángulo complementario (90° -α) con respecto al eje mayor de la segunda tobera interior 15IN del segundo elemento 15 de quemador (por ejemplo, la longitud L de la segunda salida interior 15f de combustible). En algunas realizaciones, el ángulo α puede ser mayor de 0° y menor o igual que 20° o menor de 0° y mayor o igual que a -20°.
[0087] A modo de otro ejemplo, el conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible del primer elemento 13 de quemador puede extenderse linealmente desde el conducto 29a de alimentación del primer elemento de quemador hasta la primera salida interior 13f de combustible del primer elemento 13 de quemador en un ángulo horizontal α con relación a la dirección horizontal en la que el conducto 11c de alimentación de llama piloto se extiende linealmente hasta el orificio 11 de llama piloto. Este ángulo horizontal se puede considerar un segundo ángulo horizontal preseleccionado o un ángulo horizontal preseleccionado del primer elemento 13 de quemador. El ángulo horizontal α puede estar en un intervalo de /- 5° a /- 20°. Se debe apreciar que al menos una porción del conducto de alimentación 15c puede incluir el segmento 31c del conducto aguas abajo o ser enteramente este segmento. También se puede considerar que el ángulo horizontal α para el primer elemento 13 de quemador es un ángulo α en el que el eje longitudinal 13L del conducto de alimentación 13c para el primer elemento 13 de quemador interseca el lugar frontal 10fp del quemador con respecto perpendicular y en un ángulo complementario (90° -α) con respecto al eje mayor de la primera tobera interior 13IN del primer elemento 13 de quemador (por ejemplo, la longitud L de la primera salida interior 13f de combustible). En algunas realizaciones, el ángulo α puede ser mayor de 0° y menor o igual que 20° o, en algunas realizaciones, menor de 0° y mayor o igual que -20°.
[0088] El eje longitudinal 15L del conducto de alimentación 15c para el segundo elemento 15 de quemador puede ser un eje que se extiende en una dirección de flujo de combustible, que puede ser la dirección en la que se hace pasar el combustible a través del conducto de alimentación 15c para salir por la segunda salida interior 15f de combustible de la segunda tobera interior 15IN. También, el eje longitudinal 13L del conducto de alimentación 13c para el primer elemento 13 de quemador puede ser un eje que se extiende en una dirección de flujo de combustible, que puede ser la dirección en la que se hace pasar el combustible a través del conducto de alimentación 13c para que salga desde la primera salida interior 13f de combustible de la primera tobera interior 13IN. En tal disposición, los ejes longitudinales 13L y 15L pueden estar alineados con la dirección de flujo de combustible para el combustible que se hace pasar a través de los conductos de alimentación 13c y 15c para que salga desde las toberas interiores primera y segunda 13IN y 15IN.
[0089] Como se puede apreciar en las Figuras 3 y 4, en algunas realizaciones, el ángulo horizontal α al que se extiende linealmente el conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible puede estar en un intervalo de -5° a -20° y el ángulo horizontal α al que se extiende linealmente el conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible puede estar en un intervalo de 5° a 20°. En otras realizaciones, el ángulo horizontal α al que se extiende linealmente el conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible puede estar en un intervalo de 5 ° a 20 ° y el ángulo horizontal α al que se extiende linealmente el conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible puede estar en un intervalo de -5 ° a -20 °. Se debe apreciar que el valor del ángulo horizontal α puede ser el mismo valor nominal para los elementos quemadores, primero y segundo, 13 y 15 (por ejemplo, cuando el ángulo α es de 5° y -5° para los elementos de quemador, el mismo valor nominal para el ángulo α es de 5°, etc.). En tales realizaciones, el eje longitudinal 13L del conducto de alimentación 13c para el primer elemento 13 de quemador puede formar un ángulo con respecto al eje longitudinal 15L del conducto de alimentación 15c para el segundo elemento 13 de quemador a un ángulo que sea el doble del valor nominal del ángulo α (por ejemplo, es 2α, o 2*α).
[0090] El conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible puede situarse para que se extienda linealmente, de modo que el conducto 15c esté en una orientación nivelada (por ejemplo, no tenga inclinación) a medida que se extiende desde el conducto 29b de alimentación de combustible de la segunda tobera hasta la segunda salida interior 15f de combustible. Como alternativa, el conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible puede situarse para extenderse linealmente a lo largo de un ángulo vertical (por ejemplo, tener una inclinación de hasta /- 10° con relación al nivel). El ángulo vertical a lo largo del cual puede extenderse el conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible se puede considerar la inclinación. La inclinación también puede denominarse ángulo β, que es un ángulo en el que el eje longitudinal 15L del conducto de alimentación 15c puede intersecar un plano definido por el eje mayor y el eje menor de la segunda tobera interior 15IN del segundo elemento de quemador (por ejemplo, un plano definido por la longitud L y la altura hf de la segunda salida interior 15f de combustible) con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90°-β) con respecto al eje menor de la segunda tobera interior 15IN (por ejemplo, la altura hf de la segunda salida interior 15f de combustible). La inclinación (o ángulo β) puede ser de hasta 10° con relación a una orientación nivelada que no tenga una componente vertical de dirección o de hasta -10° con relación a una orientación nivelada que no tenga una componente vertical de dirección, de modo que el conducto 15c se extienda linealmente a lo largo de la inclinación vertical en un intervalo de -10° a 10°.
[0091] El conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible también puede situarse para que se extienda linealmente, de modo que el conducto 13c esté en una orientación nivelada (por ejemplo, no tenga inclinación) a medida que se extiende desde el conducto 29a de alimentación de combustible de la primera tobera hasta la primera salida interior 13f de combustible. Como alternativa, el conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible puede situarse para extenderse linealmente a lo largo de un ángulo vertical (por ejemplo, tener una inclinación de hasta /- 10° con relación al nivel). El ángulo vertical a lo largo del cual puede extenderse el conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible se puede considerar la inclinación. La inclinación también puede denominarse ángulo β, que es un ángulo en el que el eje longitudinal 13L del conducto de alimentación 13c puede intersecar un plano definido por el eje mayor y el eje menor de la primera tobera interior 13IN del primer elemento de quemador (por ejemplo, un plano definido por la longitud L y la altura hf de la primera salida interior 13f de combustible) con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90°-β) con respecto al eje menor de la primera tobera interior 13IN (por ejemplo, la altura hf de la primera salida interior 13f de combustible). La inclinación (o ángulo β) puede ser de hasta 10° con relación a una orientación nivelada que no tenga una componente vertical de dirección o de hasta -10° con relación a una orientación nivelada que no tenga una componente vertical de dirección, de modo que el conducto 13c se extienda linealmente a lo largo de la inclinación vertical en un intervalo de -10° a 10°. Se debe apreciar que una inclinación mayor de 0° (por ejemplo, 1° o 10°, etc.) se puede considerar una dirección inclinada que puede dirigir el combustible hacia arriba y una inclinación menor de 0° (es decir, -1° o -10°, etc.) se puede considerar una dirección inclinada hacia abajo que puede dirigir el combustible hacia abajo.
[0093] En algunas realizaciones, el paso del conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible puede ser un valor que es opuesto a la inclinación del conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior 15f de combustible. Por ejemplo, la inclinación del conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible puede variar de más de 0° a 10° y la inclinación del conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior de combustible 15c puede variar de menos de 0° a -10°. A modo de otro ejemplo, la inclinación del conducto de alimentación 13c para la primera salida interior 13f de combustible puede variar de menos de 0° a -10 ° y la inclinación del conducto de alimentación 15c para la segunda salida interior de combustible 15c puede variar de más de 0° a 10 °. En otras realizaciones, la inclinación de ambos conductos de alimentación 13c y 15c para las salidas interiores 13f y 15f de combustible, primera y segunda, puede ser tal que cada uno tenga una orientación nivelada, con una inclinación de 0° o que cada uno tenga el mismo tipo de inclinación (por ejemplo, ambos pueden tener una inclinación que varíe de 0° a 10° o de 0° a -10°). En algunas realizaciones preferidas, la inclinación de los conductos de alimentación 13c y 15c para la primera y segunda salidas interiores 13f y 15f de combustible es tal que están orientados en paralelo a la superficie del baño (por ejemplo, tienen una inclinación de 0° o de aproximadamente 0°, que puede ser una inclinación que esté dentro de 1° respecto de 0°).
[0095] El eje longitudinal 13L del conducto de alimentación 13c puede formar un ángulo alejándose de la tobera de escalonamiento 17. El eje longitudinal 15L del conducto de alimentación 15c también puede formar un ángulo alejándose a la tobera de escalonamiento 17.
[0097] La segunda salida interior 15f de combustible del segundo elemento 15 de quemador puede estar rebajada con relación a la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador. Por ejemplo, la segunda salida 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador puede situarse en el lado caliente 10h del quemador, mientras que la segunda salida 15f de combustible del segundo elemento de quemador está rebajada de 0,635 cm a 1,905 cm desde el lado caliente 10h del quemador (por ejemplo, está rebajada de 0,25 pulgadas a 0,75 pulgadas). A modo de otro ejemplo, la segunda salida 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador puede situarse en el lado caliente 10h del quemador, mientras que la segunda salida 15f de combustible del segundo elemento 15 de quemador está rebajada de 0,381 cm a 2,54 cm desde el lado caliente 10h del quemador (por ejemplo, está rebajada de 0,15 pulgadas a 1,0 pulgadas). La posición rebajada de la segunda salida interior 15f de combustible con relación a la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante puede ayudar a proteger la línea de combustible (por ejemplo, la línea de combustible de gas natural, etc.) de cualquier daño debido a los gases corrosivos calientes del horno. Esto puede ayudar a aumentar la vida útil de las líneas de combustible antes de que sea necesario sustituirlas.
[0099] La primera salida interior 13f de combustible del primer elemento 13 de quemador puede estar rebajada con relación a la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador. Por ejemplo, la primera salida 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador puede situarse en el lado caliente 10h del quemador, mientras que la primera salida 13f de combustible del primer elemento 13 de quemador está rebajada de 0,635 cm a 1,905 cm desde el lado caliente 10h del quemador (por ejemplo, está rebajada de 0,25 pulgadas a 0,75 pulgadas). A modo de otro ejemplo, la primera salida 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador puede situarse en el lado caliente 10h del quemador, mientras que la primera salida 13f de combustible del primer elemento 13 de quemador está rebajada de 0,381 cm a 2,54 cm desde el lado caliente 10h del quemador (por ejemplo, está rebajada de 0,15 pulgadas a 1,0 pulgadas).
[0101] Además de una inclinación, el ángulo horizontal α y la disposición rebajada, la separación y colocación de las toberas vertical y horizontalmente (por ejemplo, separación vertical a lo largo de la altura de la pared, colocación desplazada horizontalmente, etc.) pueden adaptarse para satisfacer un conjunto particular de criterios de diseño para proporcionar una llama estable que pueda proporcionar una baja emisión de NOx, permitiendo también que la llama se genere a partir de un combustible de gas natural, un combustible de hidrógeno o un combustible que sea una mezcla de hidrógeno y gas natural. Por ejemplo, la colocación horizontal del primer elemento 13 de quemador y del segundo elemento 15 de quemador puede adaptarse para permitir que estos elementos de quemador se alineen entre sí o se desplacen horizontalmente dentro de un intervalo preseleccionado de desplazamiento horizontal.
[0103] Por ejemplo, la longitud horizontal L de la primera salida interior 13f de combustible y la longitud horizontal L de la segunda salida interior 15f de combustible pueden ser, cada una, iguales o similares (por ejemplo, la longitud L de la primera salida 13f de combustible puede ser 90 %-110 % de la longitud L de la segunda salida interior 15f de combustible). La longitud L de cada salida puede ser una longitud de un eje mayor de la salida. Por ejemplo, la longitud L puede definir la longitud del eje mayor medida en el plano frontal del quemador para la salida de la primera tobera interior 13IN (por ejemplo, la primera salida 13f de combustible) del primer elemento 13 de quemador y la longitud L puede definir la longitud del eje mayor medida en el plano frontal del quemador para la salida de la segunda tobera interior 15IN (por ejemplo, la segunda salida de combustible interior 15f) del segundo elemento 15 de quemador. El eje mayor de la primera tobera interior 13IN que tiene la primera salida interior 13f de combustible puede ser sustancialmente paralelo al eje mayor de la segunda tobera interior 15IN que tiene la segunda salida interior 15f de combustible, de modo que estos ejes mayores sean paralelos o estén dentro de 5° de ser paralelos.
[0105] La colocación de la segunda salida de combustible superior 15f y la primera salida de combustible inferior 13f puede disponerse de modo que el centro de la primera salida 13f de combustible esté separado horizontalmente de un centro de la segunda salida 15f de combustible a una distancia de desplazamiento B. La distancia de desplazamiento B puede ser una distancia entre un eje menor de la primera tobera interior 13IN que tiene la primera salida de combustible interior 13f y un eje menor de la segunda tobera interior 15IN que tiene la segunda salida de combustible interior 15f. Los ejes menores se pueden definir mediante las alturas de las salidas. Las alturas de las salidas pueden extenderse perpendiculares a las longitudes L de las salidas. El eje menor de la primera tobera interior 13IN que tiene la primera salida interior 13f de combustible puede ser sustancialmente paralelo al eje menor de la segunda tobera interior 15IN que tiene la segunda salida interior 15f de combustible, de modo que estos ejes menores sean paralelos o estén dentro de 5° de ser paralelos.
[0107] Las Figuras 8 y 9 ilustran ejemplos de distintas disposiciones de una distancia de desplazamiento B, por ejemplo, (se debe apreciar que la Figura 6 ilustra una disposición de la distancia de desplazamiento B que es similar a la mostrada en la Figura 8). La característica de solapamiento de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, puede ayudar a facilitar la mezcla del combustible y el oxidante dentro del volumen del horno para la combustión completa del combustible antes de dejar la salida del horno.
[0109] En la Figura 7, la longitud horizontal L de la primera salida interior 13f de combustible puede ser menor que una longitud horizontal Lo de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador. También, la altura hf de la primera salida interior 13f de combustible medida en el plano frontal 10fp del quemador puede ser menor que una altura ho de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador medida en el plano frontal 10fp del quemador. Como se ha expuesto anteriormente, cada una de estas alturas hf y ho puede extenderse a lo largo de un eje menor de la salida perpendicular al eje mayor de la salida que define la longitud (L o Lo) de la salida. La primera salida exterior 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador puede tener forma anular, de modo que la primera salida de combustible interior 13f se sitúe dentro de una abertura central de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante.
[0111] La longitud horizontal L de la segunda salida interior 15f de combustible puede ser menor que una longitud horizontal Lo de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador, medida en el plano frontal 10fp del quemador. Adicionalmente, la altura hf de la segunda salida interior 15f de combustible puede ser menor que una altura ho de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador, medida en el plano frontal 10fp del quemador. Como se ha expuesto anteriormente, cada una de estas alturas hf y ho puede extenderse a lo largo de un eje menor de la salida perpendicular al eje mayor de la salida que define la longitud de la salida. La segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador puede tener forma anular, de modo que la segunda salida de combustible interior 15f se sitúe dentro de una abertura central de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante.
[0113] El tamaño y la forma del primer elemento 13 de quemador pueden ser iguales que el tamaño y la forma del segundo elemento 15 de quemador. Por ejemplo, el tamaño y la forma de la segunda salida interior 15f de combustible pueden ser iguales que el tamaño y la forma de la primera salida interior 13f de combustible y el tamaño y la forma de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante pueden ser iguales que el tamaño y la forma de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante.
[0115] La salida 17o de flujo de oxidante de la tobera de escalonamiento 17 (que puede configurarse y situarse como tobera superior 17 de flujo de oxidante) puede tener una longitud X y una altura Y medidas en el plano frontal 10fp del quemador. La longitud X se puede definir de modo que la tobera de escalonamiento 17 tenga una salida 17o de flujo de oxidante que se extienda desde una posición más a la izquierda de la primera salida 13f de combustible y/o la segunda salida 15f de combustible hasta una posición más a la derecha de la primera salida 13f de combustible y/o la segunda salida 15f de combustible. La altura Y de la salida 17o de flujo oxidante puede ser la distancia vertical de la porción mayor de la salida, una altura de la salida o un diámetro de la salida (dependiendo de la forma de la salida, que puede tener una forma ovalada, una forma circular o una forma poligonal). La longitud X de la salida 17o de flujo de oxidante se puede definir de modo que la salida 17o de flujo de oxidante se sitúe sobre los elementos de quemador, primero y segundo, y se extienda lateralmente sobre una totalidad de la longitud L de la primera salida 13f de combustible y se extienda también lateralmente sobre una totalidad de la longitud L de la segunda salida 15f de combustible en una posición que esté separada verticalmente y por encima de la primera salida interior 13f de combustible y de la segunda salida interior 15f de combustible.
[0116] La separación vertical entre los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, la salida 17o de flujo de oxidante de la tobera superior 17 de flujo de oxidante y el orificio 11 de llama piloto también se pueden definir para cumplir un conjunto de criterios preseleccionados que ayuden a facilitar la provisión de una llama estable que pueda proporcionar un perfil de bajas emisiones de NOx, al tiempo que también permite que la llama se genere a partir de un combustible de gas natural, un combustible de hidrógeno o un combustible que sea una mezcla de hidrógeno y gas natural. Como se puede apreciar mejor en la Figura 6, la parte superior de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador puede estar separada verticalmente de la parte inferior de la segunda salida 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador a una primera separación vertical H1. La parte superior de la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante del segundo elemento 15 de quemador puede estar separada verticalmente de la parte inferior de la salida 17o de flujo de oxidante de la tobera superior 17 de flujo de oxidante a una segunda separación vertical H2. La parte superior del orificio 11 de llama piloto también puede estar separada verticalmente de la parte inferior de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador a una separación vertical de la llama piloto H3 (que también puede considerarse una tercera separación vertical H3).
[0118] La colocación de la tobera para los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, el orificio 11 de llama piloto y la tobera superior 17 de flujo de oxidante pueden disponerse para cumplir los siguientes criterios para proporcionar mejor rendimiento, mayor estabilidad de una llama generada y menores emisiones de NOx:
[0120] (a) 2 < = H1/hf <= 20, donde H1/hf es la primera separación vertical H1 dividida por la altura hf de la salida interior de combustible;
[0121] (b) 2 <= H2/hf < =20, donde H2/hf es la segunda separación vertical H2 dividida por la altura hf de la salida interior de combustible;
[0122] (c) 2 <= H3/ hf <= 20, donde H3/hf es la tercera separación vertical H3 dividida por la altura hf de la salida interior de combustible; y
[0123] (d) 0.0 <=B/L <= 1,5, donde B es la distancia de desplazamiento B y L es la longitud horizontal L de la salida interior de combustible.
[0125] Los criterios de solapamiento de toberas de (d) indicados anteriormente pueden ayudar a evitar que las toberas estén demasiado separadas para ayudar a garantizar que el combustible y el oxidante puedan mezclarse suficientemente bien dentro de un horno para proporcionar una combustión completa del combustible (o al menos una combustión casi completa del combustible).
[0127] Adicionalmente, los criterios de diseño indicados anteriormente (a), (b) y (c) pueden ayudar a garantizar la implementación de un encendido seguro del quemador en un horno frío sin ninguna fuga de CO en los gases de combustión (un encendido puede ser una condición en la que se genera inicialmente una llama en un horno frío al poner en marcha el quemador). Un ejemplo de secuencia de encendido puede ser que se utilice el quemador piloto 11 para ayudar a encender la primera salida 13f de combustible de la tobera inferior y que la llama del primer elemento 13 de quemador inferior encienda posteriormente a su vez la salida de combustible de la segunda salida 15f de combustible. Los límites operativos superiores para el inicio de generación de la llama mediante la secuencia de encendido pueden estar cerca de o en una condición en la que pueda producirse una combustión incompleta del combustible que sale del horno durante la puesta en marcha del quemador, mientras que los límites operativos inferiores pueden definirse para ayudar a reducir la generación de NOx y minimizar los efectos de interacción de la llama y/o del flujo entre la tobera superior 17 de flujo de oxidante, el primer elemento 13 de quemador y el segundo elemento 15 de quemador.
[0129] La colocación de la tobera según los criterios (a)-(d) indicados anteriormente se puede mejorar aún más si la primera salida 13f de combustible y la segunda salida 15f de combustible tienen las siguientes dimensiones: una relación de aspecto de 5 <= L/hf <= 15 (donde L es la longitud horizontal L de la salida interior de combustible y hf es la altura de la salida interior de combustible) mientras funcionan de modo que el combustible salga en un intervalo de velocidad de 50-300 pies por segundo (ft/s), que es de 15,24 metros por segundo (m/s) a 91,44 m/s, y el oxidante sale por la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante y por la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante a una velocidad de oxígeno de 25 pies/s a 150 pies/s, que es de 7,62 m/s a 45,72 m/s. El intervalo de la relación L/hf se puede definir para ayudar a desarrollar llamas planas que cubran una mayor superficie de baño en comparación con los quemadores de oxicombustible convencionales de tubo redondo único. La mayor área superficial de llama frente a la superficie del baño que puede formarse puede ayudar a irradiar una mayor área superficial del baño, reduciendo de este modo los puntos fríos del lado del baño en el horno. También, la relación ho/hf se puede dimensionar para que los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, produzcan una relación entre la salida de velocidad del combustible de los elementos de quemador y la salida de velocidad del oxidante primario de los elementos de quemador de 1 a 4.
[0130] Adicionalmente, la salida 17o de flujo de oxidante de la tobera superior 17 de flujo de oxidante puede tener una dimensión de 10 <= X/Y <= 40, y 1 <= X/L <= 2,5 (donde L es la longitud horizontal L de la salida interior de combustible, X es la longitud de la tobera superior 17 de flujo de oxidante e Y es la altura de la tobera superior 17 de flujo de oxidante). La velocidad de salida de oxidante desde la salida 17o de flujo de oxidante de la tobera superior 17 de flujo de oxidante puede variar de 25 pies/s a 150 pies/s, que es una velocidad de 7,62 m/s a 45,72 m/s.
[0131] El funcionamiento de las toberas y de la tobera superior 17 de flujo de oxidante puede adaptarse para facilitar la generación de una llama estable con bajas emisiones de NOx y fugas mínimas de CO del horno. Se pueden definir los límites inferior y superior del escalonamiento de oxidante en la tobera superior 17 de flujo de oxidante en función de un funcionamiento óptimo del quemador en un horno. Por ejemplo, la salida de oxidante desde la salida 17o de flujo de oxidante de la tobera superior 17 de flujo de oxidante puede ser del 5 % al 30 % de la salida total de flujo de oxidante del quemador (por ejemplo, del 5 % al 30 % de la salida total de flujo de oxidante del primer elemento 13 de quemador, el segundo elemento 15 de quemador y la tobera superior 17 de flujo de oxidante). El límite superior del escalonamiento de oxidante se puede establecer de tal manera que se impida el sobrecalentamiento de la pared superior del horno por la liberación de calor en la parte superior del horno. Esta condición de salida de flujo de oxidante puede vincularse al requisito de que la salida de oxidante del primer elemento 13 de quemador tenga el mismo caudal de oxidante que la salida de oxidante del segundo elemento 15 de quemador o aproximadamente el mismo caudal de oxidante (por ejemplo, la salida de oxidante de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante tiene el mismo caudal de salida que la salida de oxidante desde la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante o está dentro del 10 % o dentro del 15 % de tener el mismo caudal de salida de oxidante de la salida de flujo de oxidante del otro elemento de quemador). Esta salida de oxidante desde los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, puede ser del 95 % al 70 % de la salida total de flujo de oxidante de la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante, la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante y la salida 17o de flujo de oxidante de la tobera superior 17 de flujo de oxidante.
[0132] Los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, se pueden configurar para proporcionar diferentes tipos de escalonamiento de combustible. Por ejemplo, un caudal de salida de combustible desde la primera salida 13f de combustible y la segunda salida 15f de combustible puede ser el mismo cuando ambos elementos de quemador están en modo activo. Cuando un elemento de quemador está en modo activo y el otro elemento de quemador está en modo pasivo, la salida de combustible de cada elemento de quemador puede ser diferente. Por ejemplo, el elemento de quemador pasivo puede hacer salir el combustible por la salida de combustible de ese elemento de quemador, de modo que la salida de combustible de ese elemento de quemador activo sea del 65 % al 95 % del total del combustible que sale del quemador 10, y la salida de combustible del elemento de quemador pasivo puede ser del 35 % al 5 % del total del combustible que sale del quemador 10.
[0134] En la Figura 5, se puede apreciar el funcionamiento en modo activo de un elemento de quemador (por ejemplo, el primer elemento 13 de quemador, el segundo elemento 15 de quemador, o ambos elementos de quemador, etc.). Por ejemplo, en un modo activo, el combustible puede salir del colector 28 de control de combustible y pasar a un elemento de quemador que funcione en el modo activo, de modo que la válvula 30 de control esté abierta y se alimente el combustible al elemento de quemador a un régimen elevado, superior a un caudal mínimo de combustible. Cuando el elemento de quemador está en modo pasivo, la válvula 30 de control puede estar totalmente cerrada, de modo que solo se alimente un caudal de combustible mínimo al elemento de quemador mediante el combustible que puede pasar por el segmento 31b de conducto de derivación, que permite que un caudal mínimo de combustible evite la válvula 30 de control cerrada para hacer fluir combustible al elemento de quemador.
[0136] Las válvulas 30 de control se pueden controlar para permitir que todos los elementos de quemador estén en un modo activo al mismo tiempo o se puede configurar para conmutar cuál de los elementos de quemador está en un modo activo y cuál está en modo pasivo (por ejemplo, alternar los ciclos de modo activo y pasivo durante un ciclo de tiempo de modo activo preseleccionado). Por ejemplo, una válvula de control del primer conducto 29a de alimentación de combustible puede estar totalmente abierta y la válvula 30 de control del conducto 29b de alimentación de combustible puede estar totalmente cerrada durante un primer periodo de tiempo de modo activo preseleccionado (por ejemplo 15 segundos, 5 minutos, 3 horas, etc.). Una vez transcurrido este periodo de tiempo, las válvulas de control se pueden ajustar de modo que la válvula de control del primer conducto 29a de alimentación de combustible pueda estar totalmente cerrada y la válvula 30 de control del segundo conducto 29b de alimentación de combustible pueda estar totalmente abierta durante un segundo periodo de tiempo de modo activo preseleccionado (por ejemplo, 15 segundos, 5 minutos, 3 horas, etc.). Esta conmutación entre qué elemento de quemador está activo y qué elemento de quemador está pasivo puede continuar durante múltiples ciclos. Este tipo de ciclo puede ayudar a proporcionar bajas emisiones, impedir el sobrecalentamiento del metal en el lado caliente 10h del quemador y/o en la porción que está cerca de una pared lateral en la que esté montado el quemador, y mantener o mejorar el rendimiento debido a la atmósfera baja en oxígeno cerca de la superficie del baño. Esto es particularmente cierto después de que se haya puesto en marcha un aparato de calentamiento 1 y de que la temperatura promedio esté por encima de una temperatura de autoignición del combustible. Por el contrario, tener a ambos elementos quemadores activos puede ayudar a impedir que se produzca una fuga de monóxido de carbono (CO) y ayudar a proporcionar una combustión completa durante el arranque de un horno frío (es decir, mientras el aparato de calentamiento está por debajo de la temperatura de autoignición del combustible).
[0138] Se puede configurar el funcionamiento del quemador cuando tanto el primer como el segundo elemento 13 y 15 de quemador están en modo activo para proporcionar una relación de equivalencia de entre 1,05 y 1,5 (por ejemplo, 1,05 < relación de equivalencia < 1,5 o una relación de equivalencia que sea mayor o igual que 1,05 y menor o igual que 1,5). Se debería apreciar que, para un caudal de combustible dado, se puede determinar la relación de equivalencia como la relación entre el flujo estequiométrico teórico de oxidante y el flujo real de oxidante.
[0139] En situaciones en las que un elemento de quemador está en un modo activo y el otro funciona en un modo pasivo, cada elemento de quemador puede funcionar con una relación de equivalencia diferente. Se debe apreciar que la relación de equivalencia es una relación entre el combustible y el oxidante, donde una relación de equivalencia de 1,0 es una mezcla de combustible y oxidante para una combustión completa, una relación de equivalencia de más de 1 es una mezcla de combustible y oxidante rica en combustible (por ejemplo, más combustible que oxidante, de modo que puede producirse una combustión incompleta del combustible) y una relación de equivalencia menor de 1 es una mezcla de combustible y oxidante rica en oxidante (por ejemplo, más oxidante del necesario para una combustión completa). La estrategia de funcionamiento rico y pobre de los elementos de quemador puede ayudar a reducir el NOx térmico generado en el proceso de combustión en comparación con el funcionamiento de los elementos de quemador en condiciones próximas a las estequiométricas.
[0141] Por ejemplo, el elemento de quemador pasivo puede funcionar con una relación de equivalencia que esté entre 0,1 y 1,0 (por ejemplo, 0,1 < Relación de equivalencia < 1,0 o una relación de equivalencia que sea mayor o igual que 0,1 y menor o igual que 1,0) y el elemento de quemador activo puede funcionar con una relación de equivalencia que está entre 1,4 y 3,0 (por ejemplo, 1,4 < Relación de equivalencia < 3,0 o una relación de equivalencia que es mayor o igual que 1,4 y menor o igual que 3). Se debe apreciar que el oxidante adicional que puede proporcionar la tobera superior de escalonamiento 17 puede proporcionar oxidante adicional para ayudar a facilitar una combustión completa del combustible, aunque uno o todos los elementos de quemador puedan funcionar en una condición rica en combustible (por ejemplo, con una relación de equivalencia mayor que 1).
[0143] La función de las válvulas 30 de control puede estar controlada por un controlador CTRL conectado comunicativamente con las válvulas de control. El controlador puede estar conectado comunicativamente con uno o más sensores del aparato para monitorizar las condiciones del horno y/o de los conductos. Al menos uno de los sensores puede situarse en el horno o en la cámara encima del baño 2, o puede situarse para detectar una o más condiciones en la cámara de encima del baño o en el horno. Tales sensores pueden incluir, por ejemplo, sensores de temperatura, sensores de presión y sensores de caudal o de flujo másico. El controlador puede estar configurado para controlar automáticamente la abertura y el cierre de las válvulas 30 de control, conforme a un algoritmo de control predefinido, definido en un código almacenado en la memoria no transitoria del controlador, de modo que cuando el procesador del controlador ejecute el código, el controlador se comunique con las válvulas 30 de control para ajustar sus posiciones en función de los datos del sensor y en cualquier entrada del operador que pueda proporcionarse a través de uno o más dispositivos de entrada (por ejemplo, un ordenador conectado comunicativamente al controlador, etc.). El controlador CTRL puede estar configurado para monitorizar y/o controlar el funcionamiento del quemador 10 durante la puesta en marcha de al menos un quemador, de modo que el primer elemento 13 de quemador y el segundo elemento 15 de quemador estén en un modo activo tal que el primer y el segundo elemento de quemador funcionen con una relación de equivalencia de entre 1,05 y 1,5.
[0145] Después de que el aparato 1 de calentamiento transitorio funcione a una temperatura operativa preseleccionada que esté por encima de una temperatura de autoignición del combustible alimentado al el al menos un quemador, el controlador puede comunicarse con las válvulas 30 de control para conmutar el primer elemento 13 de quemador de un modo activo a un modo pasivo y conmutar posteriormente el primer elemento 13 de quemador del modo pasivo al modo activo, mientras también se conmuta el segundo elemento 15 de quemador del modo activo al modo pasivo tras un primer periodo de tiempo preseleccionado. Esta conmutación de los modos activo y pasivo de los elementos 13 y 15 de conmutador, primero y segundo, puede producirse múltiples veces en numerosos ciclos. En algunas configuraciones, el controlador CTRL y las válvulas 30 de control se pueden configurar de modo que el modo activo de los elementos de quemador sea un modo en el que una relación de equivalencia esté entre 1,4 y 3,0 y el modo pasivo sea un modo en el que la relación de equivalencia esté entre 0,1 y 1,0.
[0147] El controlador CTRL también se puede configurar para que uno o más quemadores 10 funcionen de modo que la salida de oxidante de una salida 17o de flujo de oxidante de la tobera de escalonamiento 17 esté entre el 5 % y el 30 % de una salida de flujo de oxidante global del quemador 10 y la salida de oxidante del primer elemento 13 de quemador tenga un caudal que esté dentro del 10 % de un caudal de oxidante de la salida de oxidante del segundo elemento 15 del quemador.
[0149] El controlador CTRL puede estar configurado para controlar de forma independiente el flujo de combustible a cada una de la primera tobera interior 13IN y la segunda tobera interior 15IN de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, y controlar también la distribución del flujo total de oxidante que consiste en un flujo de oxidante primario repartido entre la primera tobera anular 13AN y la segunda tobera anular 15AN de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, (por ejemplo, la primera salida exterior 13o de flujo de oxidante y la segunda salida exterior 15o de flujo de oxidante) y un flujo de oxidante secundario proporcionado a la tobera de escalonamiento 17. El flujo de oxidante primario puede ser del 60 % al 95 % del flujo de oxidante total y el flujo de oxidante secundario puede ser el resto (por ejemplo, del 40 % al 5 % del flujo de oxidante total). El flujo de oxidante primario puede repartirse entre la primera tobera anular 13AN y la segunda tobera anular 15AN en una relación de 0,9 a 1,1 para el primer y el segundo elemento de quemador.
[0151] El controlador también puede programarse para hacer funcionar el quemador 10 en un modo proporcional en el que el flujo total de combustible se suministra a la primera tobera interior y a la segunda tobera interior de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, (por ejemplo, primera salida interior 13f de combustible y segunda salida interior 15f de combustible) de tal manera que la relación de equivalencia del primer elemento de quemador sea de 1,05 a 1,5 y la relación de equivalencia del segundo elemento de quemador sea de 1,05 a 1,5.
[0152] El controlador CTRL se puede programar para hacer funcionar el quemador 10 en un modo alternante en el que el reparto del flujo total de combustible entre la primera tobera interior del primer elemento 13 de quemador (por ejemplo, la primera salida interior 13f de combustible) y la segunda tobera interior (por ejemplo, la segunda salida interior 15f de combustible) del segundo elemento 15 de quemador conmuta alternativamente entre un primer estado en el que el primer elemento de quemador está activo mientras que el segundo elemento de quemador está pasivo y un segundo estado en el que el primer elemento de quemador está pasivo mientras que el primer elemento de quemador está activo. En tales estados operativos, el controlador CTRL se puede configurar de modo que el elemento activo del quemador pueda caracterizarse por funcionar en una relación de equivalencia de 1,4 a 3 y el elemento pasivo del quemador pueda caracterizarse por funcionar en una relación de equivalencia de 0,1 a 1.
[0153] El controlador CTRL se puede configurar para controlar el flujo de combustible y oxidante al quemador, de modo que el quemador conmute entre el modo alternante y el modo proporcional. Tal conmutación se puede producir en función de criterios operativos preseleccionados, entrada del operador u otros criterios. La conmutación entre estos modos de funcionamiento se puede producirse hacia delante y hacia atrás en función de ciclos preseleccionados, entrada de uso y/u otros criterios.
[0154] Las realizaciones del controlador CTRL pueden tener o utilizar de otro modo un bucle de control de realimentación definido para seleccionar entre el modo de funcionamiento activo y el modo de funcionamiento pasivo para los elementos de quemador 10 en función de los datos de los sensores situados en el aparato. El código ejecutado por el procesador del controlador puede definir el bucle de control realimentado o definir al menos parcialmente el bucle de control.
[0155] Las realizaciones del controlador pueden incluir una estación de trabajo que ejecute un programa de control de procesos automatizado que también esté conectado comunicativamente a las válvulas 30 de control, sensores y otros elementos de control. El controlador también puede incluir otros tipos de dispositivos informáticos que tienen un procesador conectado a un medio no transitorio legible por ordenador que tiene el código del programa de control almacenado en el mismo y al menos un transceptor para conexiones comunicativas con las válvulas de control y los sensores (por ejemplo, a través de una conexión de red, conexión de red inalámbrica o conexión de comunicación por cable, etc.). Uno o más dispositivos de entrada pueden conectarse al controlador para permitir que un usuario proporcione información al controlador. Uno o más dispositivos de salida (por ejemplo, una pantalla, una impresora, etc.) pueden estar conectados comunicativamente al controlador para proporcionar también una salida al usuario. El quemador 10 se puede instalar en un horno 1, como se muestra en la Figura 1. El horno 1 puede ser un horno de reverbero u otro tipo de horno que pueda usar el quemador 10 de calentamiento transitorio. En algunas realizaciones, el aparato de calentamiento transitorio puede incluir un baño que puede estar dimensionado para retener el metal y fundir el metal mediante un calentamiento transitorio. Las paredes laterales 6 se pueden extender verticalmente por encima del baño y una bóveda o techo se pueden situar por encima del baño y fijarse a las paredes laterales para encerrar el baño 2. Un conjunto de quemadores 3 se puede situar para quemar un combustible y proporcionar una llama dentro de una cámara encima del baño. Los gases calientes de la(s) llama(s) formada(s) pueden arremolinarse o fluir de otro modo dentro de la cámara, por encima del baño de metal, para proporcionar un calentamiento transitorio al metal y fundir el metal dentro del baño 2.
[0156] El metal puede ser, por ejemplo, hierro, aluminio, un metal no ferroso u otro tipo de metal. Los gases calientes de la llama pueden pasar hacia un conducto de humos 5 para salir de la cámara y alejarse del baño 2. Los gases calientes de salida se pueden emitir a la atmósfera directamente o pueden alimentar otro proceso de la planta para otros usos (por ejemplo, un medio de calentamiento para un intercambiador de calor, etc.).
[0157] Al menos una pared lateral 6 y/o la bóveda pueden incluir al menos un quemador de calentamiento transitorio 10 que puede utilizarse junto con otros quemadores (por ejemplo, quemadores de oxicombustible, quemadores regenerativos, etc.) y/o como sustituto de tales quemadores. En algunas realizaciones, cada quemador 10 de la matriz de quemadores puede ser tal quemador 10. En otras realizaciones, uno o más de los quemadores 10 puede ser un quemador de calentamiento transitorio que está situado para generar una llama junto con otros quemadores convencionales preexistentes 3 que pueden estar posicionados para generar una llama para el calentamiento transitorio del metal dentro del baño 2. La disposición de los quemadores se puede utilizar junto con un funcionamiento controlado de los quemadores para proporcionar un perfil de calentamiento deseado para un flujo de calentamiento de gases calientes dentro de la cámara por encima del baño para calentar el metal de dentro del baño 2.
[0158] Cada quemador 10 puede incluir un frontal del quemador configurado para poder situarse en una superficie interior de un horno. Por ejemplo, el quemador 10 se puede montar de modo que esté a ras de una superficie interior del horno. Por ejemplo, el frontal del quemador para el quemador puede estar configurado para estar a ras de la pared lateral 6 cuando el quemador 10 está montado en la pared lateral 6. A modo de otro ejemplo, el frontal del quemador también puede estar configurado para estar a ras de la bóveda cuando el quemador 10 esté montado en la bóveda. A modo de otro ejemplo más, el quemador 10 se puede montar en la pared lateral 6 o en la bóveda para situarse en una superficie interior del horno para alimentar con combustible y oxidante una cámara situada encima del baño 2. El frontal quemador 10f del quemador puede definir un plano frontal 10fp del quemador. El plano frontal 10fp del quemador puede ser el plano en el que el combustible y el oxidante salen del quemador 10 para alimentar la cámara por encima del baño 2.
[0159] Se ha llevado a cabo un análisis computacional de dinámica de fluidos (CFD, por sus siglas en inglés de "computational fluid dynamics") para un horno que tiene la configuración de la realización ilustrativa que se muestra en la Figura 1, usando diferentes configuraciones de quemadores. Las dos simulaciones CFD usaron condiciones idénticas en el mismo tipo de horno, pero tenían diferentes configuraciones de quemadores. La primera evaluación CFD se llevó cabo para una realización del quemador que es similar a la realización que se muestra en la Figura 8. La segunda evaluación CFD fue para un quemador que tiene un diseño similar a la realización que se muestra en la Figura 8, pero sin la tobera superior 17 de flujo de oxidante. El combustible usado en esta simulación fue gas natural y se usó 100 % de oxígeno por volumen como oxidante. Los resultados de la concentración de oxígeno disperso cerca de la superficie del baño para estas dos evaluaciones CFD se muestran en las Figuras 10 (sin tobera superior 17 de flujo de oxidante) y 11 (con tobera superior 17 de flujo de oxidante).
[0160] Cada una de las Figuras 10 y 11 ilustra un gráfico 2a de concentración de oxígeno en la superficie del baño 2. El gráfico ilustra los resultados de las evaluaciones CFD efectuadas. La Figura 10 ilustra una región de alta concentración de oxígeno cerca del quemador 10. La Figura 11 muestra que el uso de la tobera superior 17 de flujo de oxidante permitió eliminar esta región y proporcionar una concentración de oxígeno más uniforme y baja en la totalidad del baño 2.
[0161] Nuestras realizaciones evaluadas del quemador 10 de la invención usando los análisis CFD comprobaron que el uso de la tobera superior 17 de flujo de oxidante puede ayudar a reducir la concentración de oxígeno cerca de la superficie del baño hasta un ~5 % (con esta tobera presente) en comparación con un ~15 % (con esta tobera omitida) cuando la tobera superior 17 de flujo de oxidante no se utiliza en el quemador. El uso de la tobera superior 17 de flujo de oxidante puede ayudar a reducir o mantener la oxidación del baño metálico a un nivel básico. Se ha comprobado que la colocación de la tobera superior 17 de flujo de oxidante por encima de los elementos 13 y 15, de quemador, primero y segundo, (y/o de cualquier otra tercera tobera adicional que pueda hacer salir el combustible y oxígeno) ayudaba a alejar el oxígeno de la superficie metálica del baño, ya que las toberas situadas entre la tobera superior 17 de flujo de oxidante y la superficie del baño creaban una superficie de recubrimiento que ayudaba a que la salida ovoide de oxígeno del quemador 10 fluyera por debajo del orificio 11 de llama piloto hacia el baño 2.
[0162] Las evaluaciones de las realizaciones de nuestro quemador que se llevaron a cabo también mostraron que la utilización de la tobera superior 17 de flujo de oxidante por encima de los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, (y/o cualquier otro tercer elemento de quemador adicional que pueda hacer salir combustible y oxígeno) ayudaba a reducir las emisiones de NOx. Se ha comprobado que el uso de la tobera superior 17 de flujo de oxidante reduce las emisiones de NOx hasta un 50 % en comparación con una realización del quemador que solo utiliza los elementos 13 y 15, de quemador, primero y segundo, sin la tobera superior 17 de flujo de oxidante.
[0163] También se probó confidencialmente un ejemplo de quemador 10 en nuestro horno de laboratorio a escala industrial, con una tasa de combustión de 1.465,355 kWh (5 MMBtu/h). El oxidante usado en las pruebas fue un 100 % en volumen de oxígeno. En las siguientes tablas 293,071 kWh = 1 MMBtu/h. La siguiente Tabla 1 presenta los puntos de prueba experimentales y las correspondientes emisiones de escape obtenidas a partir de las pruebas efectuadas. En la siguiente Tabla 1, el tipo de combustible GN es gas natural y el tipo de combustible H2 es gas hidrógeno, CO2 es el dióxido de carbono presente en las emisiones, O2 es el oxígeno presente en las emisiones, NOx es el óxido nitroso en las emisiones y CO es monóxido de carbono en las emisiones.
[0164] Tabla 1: Tasa de combustión y emisiones de escape en un horno de pruebas de laboratorio que funciona a una temperatura promedio del horno de 1037,77 °C (1900 °F)
[0166] Tasa de
[0167] combustión Combustible CO2 NOx CO NOx @ 3 % O2 kWh % por poder
[0168] (MMBtu/hr) caloríficoppm ppm pm kg/GJ (lb/MMBtu)1.465,355
[0170]
10 26
[0171] (5) 0 % GN
7,96 514
14
711 0.0
[0172] (0,06)
[0175]
[0178] La Tabla 1 anterior muestra que el quemador 10 puede funcionar en los dos modos de funcionamiento del quemador, primero, con una tobera interior de combustible de un elemento de quemador activa, mientras que la otra tobera interior de combustible del otro elemento de quemador es pasiva, y segundo, cuando tanto el primer como el segundo elemento 13 y 15, de quemador de combustible están activos. Se ha demostrado que este rendimiento del quemador 10 ayuda a proporcionar flexibilidad operativa al quemador 10 en función de las necesidades de funcionamiento de la planta. Los datos obtenidos a partir de las pruebas muestran que las realizaciones del quemador 10 pueden ser flexibles en cuanto al combustible (por ejemplo, puede funcionar con gas natural como combustible y también con una mezcla de gas natural e hidrógeno). Adicionalmente, las emisiones de NOx y CO son muy bajas, que hace creer a los solicitantes que se deben a la estructura y configuración de la versión de doble etapa del quemador. La doble etapa y las dimensiones adecuadas del quemador, conforme a los criterios de diseño (a)-(d) indicados anteriormente (a)-(d), por ejemplo, ayudan a crear dos llamas que salen del quemador 10 con mínimas interacciones de llama, a evitar el funcionamiento estequiométrico de los elementos individuales del quemador 10 y, aun así, proporcionar una combustión casi completa de los combustibles que salen del quemador 10.
[0180] La Figura 12 es un gráfico que ilustra una comparación de las emisiones de NOx normalizadas (kg/GJ (lbs/MMBtu)) entre un quemador de oxicombustión convencional y realizaciones de nuestro novedoso quemador de calentamiento transitorio en función del porcentaje de fuga de aire en el horno. Se presentan los resultados de las realizaciones de nuestro quemador de calentamiento transitorio de la invención (un elemento de quemador activo y otro pasivo en funcionamiento cíclico, tal como se ha expuesto en el presente documento) para dos casos con dos tipos diferentes de combustible: uno con gas natural (GN), que está etiquetado como "Nuevo quemador transitorio (combustible GN)" en la Figura 12 y otro que usa una mezcla de 70 % de poder calorífico de gas natural y 30 % de poder calorífico de hidrógeno, que está etiquetado como "Nuevo quemador transitorio (combustible GN/H2)". Las gráficas ilustradas en la Figura 12 muestran que las realizaciones del nuevo quemador transitorio generan emisiones totales de NOx hasta un 40 % menores en comparación con los quemadores de oxicombustible convencionales. La emisión total de NOx del nuevo quemador transitorio es, teniendo en cuenta la incertidumbre de la medición y los factores de funcionamiento del horno, similar cuando funciona con gas natural o con una mezcla de combustibles Gas Natural-Hidrógeno.
[0182] En función del análisis CFD que se ha llevado a cabo para algunas realizaciones de nuestro quemador 10 y del aparato 1 de calentamiento transitorio, también se ha comprobado que las realizaciones de nuestro quemador proporcionan mejoras en la eficiencia del combustible y en el rendimiento.
[0184] Por ejemplo, se llevaron a cabo dos simulaciones CFD usando combustible de gas natural para un quemador en un horno para una carga por lotes de 28.122,7 kg (62.000 lb). En la primera simulación CFD se usó una disposición de combustión aire-combustible usando quemadores convencionales ("Aire" en la Tabla 2). La segunda simulación CFD fue para una realización de nuestro quemador 10 utilizado en el horno de la Figura 1 que se simuló para usar la combustión híbrida proporcionada mediante una realización de nuestro quemador 10 de calentamiento transitorio de múltiples etapas ("Híbrido" en la tabla 2), se sustituyó un quemador de aire-combustible por un quemador de calentamiento transitorio de múltiples etapas). La tabla 2 muestra el balance energético del horno. Se ha comprobado que la realización de nuestro quemador 10 contribuye a mejorar la eficacia de funcionamiento en aproximadamente un 9 %. Se puedo reducir el tiempo de fusión del metal dentro de un baño de 4,1 horas a 3,0 horas (lo que proporcionó un aumento de la producción de aproximadamente un 26 % al acelerar la producción en 1,1 horas) y proporcionó una disminución en el uso de combustible del 26,6 % al reducir el consumo de combustible de 0,858 kWh/kg a 0,629 kWh/kg (1.328 unidades térmicas británicas (BTU) por libra (lb) a 975 BTU/lb).
[0185] Tabla 2: Comparación de combustión de aire frente a combustión híbrida
[0186] Aire HíbridaCombustión (kWh (MMBtu/hr)) 5.861,42 (20,00) 6.301,03 (21,50)
[0187] Precalenta 293,071 (1,00)
146,536 (0,50)
[0188] Entrada to 6.154,49 (21,00) 6.447,56 (22,00)
[0189] (kWh (MMBtu/hr)) (kWh (MMBtu/hr))
[0190] 1.614,82 (5,51) 2.303,54 (7,86)
[0191] Chatarra
[0192] Humos 603.70 (2,06) 562,70 (1,92) Regenerac 2.763,66 (9,43) 2.142,35 (7,31)
[0193] Pared
835,25 (2,85) 1.022,82 (3,49)
[0194] Combustib 310,66 (1,06) 348,75 (1,19)
[0195] Salida total(kWh (MMBtu/hr))6.133,07 (20,92 6.377,22 (21,76
[0196] Eficiencia27,5 %36,2 %
[0198] También se compararon las aplicaciones de nuestro quemador en las que se usó gas natural como combustible y en las que se usó una mezcla de 30 % de hidrógeno (H2) por poder calorífico y 70 % de gas natural (GN) por poder calorífico. A continuación, la Tabla 3 muestra los resultados de estos análisis. Como se puede apreciar a partir de la Tabla 3, el quemador 10 fue capaz de mantener su rendimiento usando tanto gas natural como mezclas de gas natural e hidrógeno para la evaluación efectuada.
[0199] Tabla 3; comparación del balance energético del horno usando combustible mezclado (GN+H2) y funcionamiento solo con GN:
[0202]
[0204] Las realizaciones del quemador 10 también pueden utilizar elementos de quemador adicionales. Por ejemplo, puede haber un tercer elemento de quemador que esté entre el orificio 11 de llama piloto y el primer elemento 13 de quemador. Esta tercera tobera se puede situar y alinear para que salga el combustible y el oxidante hacia el aparato 1 de calentamiento, de modo que salga en alineación central (por ejemplo, con una inclinación de 0° y un ángulo horizontal α de 0°). Se contempla que otras realizaciones también puedan utilizar uno o más terceros elementos de quemador que tengan cada uno una salida interior de combustible rodeada por una salida exterior de flujo de oxidante. Los elementos de quemador pueden tener la misma configuración que los elementos 13 y 15 de quemador, primero y segundo, por ejemplo, pero estar dispuestos para proporcionar una trayectoria de flujo de combustible y/u oxidante diferente (por ejemplo, salida de combustible para proporcionar una inclinación de 0° y un ángulo horizontal α de 0°, etc.).
[0205] Como se puede apreciar a partir de lo anterior, los aparatos de calentamiento transitorio (por ejemplo, hornos de reverbero) y los quemadores que pueden incorporarse a estos dispositivos pueden configurarse para incluir elementos de control del proceso situados y configurados para monitorizar y controlar el funcionamiento (por ejemplo, sensores de temperatura y presión, sensores de flujo, un sistema automatizado de control de procesos que tenga al menos un puesto de trabajo que incluya un procesador, una memoria no transitoria y al menos un transceptor para comunicarse con los elementos sensores, válvulas y controladores para proporcionar una interfaz de usuario para un sistema automatizado de control de procesos que puede ejecutarse en el puesto de trabajo y/o en otro dispositivo informático del sistema, etc.).
[0206] Las realizaciones del quemador 10 pueden utilizar distintos tipos de combustible. Por ejemplo, como alternativa (o adicionalmente) al uso de gas natural e hidrógeno como posibles fuentes de combustible, unas realizaciones pueden utilizar un combustible líquido atomizado o un combustible sólido pulverizado (por ejemplo, carbón pulverizado) en un gas portador u otra fuente de combustible.
[0207] Se debe entender que "<=" se refiere a menor o igual que y "=>" se refiere a mayor o igual que. También se debe tener en cuenta que un combustible puede incluir un material combustible. Entre los ejemplos de combustible se pueden incluir gas natural, gas hidrógeno, diésel, carbón u otras fuentes de combustible que puedan quemarse. Se puede hacer pasar el combustible a través de la tobera interior de un elemento de quemador. El oxidante puede referirse a un fluido que incluya una concentración de oxígeno en el mismo que se puede utilizar para la combustión de combustible. Se puede hacer pasar el oxidante a través de una tobera anular de un elemento de quemador que rodea una tobera interior del elemento de quemador. En algunas realizaciones, se puede incluir un combustible u otro material con el oxidante que pasa a través de la tobera anular.
[0208] Unas realizaciones pueden adaptarse para abordar especialmente un conjunto particular de criterios de diseño. Por ejemplo, se contempla que una característica descrita en particular, individualmente o bien como parte de una realización, pueda combinarse con otras características descritas individualmente, o con partes de otras realizaciones. Los elementos y actos de las diversas realizaciones descritas en el presente documento pueden, por lo tanto, combinarse para proporcionar realizaciones adicionales. Por tanto, si bien se han mostrado y descrito anteriormente determinadas realizaciones ilustrativas de métodos de calentamiento transitorio, aparatos para el calentamiento transitorio, quemadores para hornos de reverbero y métodos de fabricación y uso de los mismos, se debe entender inequívocamente que la invención no está limitada a las mismas, sino que puede realizarse y ponerse en práctica de diversas otras formas dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES
1. Un quemador de calentamiento transitorio de un horno, comprendiendo el quemador:
un frontal quemador (10h) configurado para situarse en una superficie interior del horno cuando el quemador (10) está montado en el horno, definiendo el frontal quemador un plano frontal (10fp) del quemador;
un primer elemento (13) de quemador que tiene una primera tobera anular (13AN) configurada para hacer fluir un oxidante primario que rodea una primera tobera interior (13IN) configurada para hacer fluir combustible;
un segundo elemento (15) de quemador que tiene una segunda tobera anular (15AN) configurada para hacer fluir un oxidante primario que rodea una segunda tobera interior (15IN) configurada para hacer fluir combustible, estando el segundo elemento (15) de quemador situado adyacente a y separado del primer elemento de quemador (13);
una tobera de escalonamiento (17) configurada para hacer fluir un oxidante secundario, estando la tobera de escalonamiento (17) situada adyacente a y separada del segundo elemento (15) de quemador,
en donde el segundo elemento (15) de quemador está situado entre la tobera de escalonamiento (17) y el primer elemento de quemador (13);
en donde la primera tobera interior (13IN) y la segunda tobera interior (15IN) tienen, cada una, un eje mayor definido por una longitud L del eje mayor, medida en el plano frontal (10fp) del quemador, un eje menor definido por una altura h<f>del eje menor medida en el plano frontal (10fp) del quemador, y una relación de aspecto de la tobera de combustible de 5 <= L/h<f><= 15;
en donde la tobera de escalonamiento (17) tiene un eje mayor definido por una longitud del eje mayor X medida en el plano frontal (10fp) del quemador y un eje menor definido por una altura del eje menor Y medida en el plano frontal (10fp) del quemador; y
en donde el eje mayor de la primera tobera interior (13IN), el eje mayor de la segunda tobera interior (15IN) y el eje mayor de la tobera de escalonamiento (17) son sustancialmente paralelos entre sí dentro de una desviación menor o igual que 5°.
2. El quemador de la reivindicación 1, en donde la tobera de escalonamiento (17) tiene una relación de aspecto de 10 <= X/Y <= 40.
3. El quemador de la reivindicación 1, en donde 1 <= X/L <= 2,5.
4. El quemador de la reivindicación 1,
en donde el segundo elemento (15) de quemador está separado del primer elemento (13) de quemador a una distancia H1, en donde 2 <= H1/h<f><= 20; y
en donde la tobera de escalonamiento (17) está separada del segundo elemento (15) de quemador a una distancia H2, en donde 2 <= H2/h<f><= 20.
5. El quemador de la reivindicación 1,
en donde el eje menor de la primera tobera interior (13) está desplazado respecto al eje menor de la segunda tobera interior (15) a una distancia B, en donde 0 < B/L <= 1,5; y
en donde el eje menor de la primera tobera interior (13IN) y el eje menor de la segunda tobera interior (15IN) son sustancialmente paralelos entre sí dentro de una desviación menor o igual que 5°.
6. El quemador de la reivindicación 1, que comprende, además:
un orificio (11) de llama piloto situado adyacente a y separado del primer elemento (13) de quemador a una distancia H3;
en donde el primer elemento (13) de quemador está situado entre el segundo elemento (15) de quemador y el orificio (11) de llama piloto; y
en donde 2 <= H3/h<f><= 20.
7. El quemador de la reivindicación 1, que comprende, además:
un primer conducto (13c) de combustible configurado para suministrar combustible a la primera tobera interior (13IN), teniendo el primer conducto de combustible un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el primer conducto de combustible, intersecando el eje longitudinal el plano frontal (10fp) del quemador con un ángulo α con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -α) con respecto al eje mayor de la primera tobera interior;
un segundo conducto (15c) de combustible configurado para suministrar combustible a la segunda tobera interior (15IN), teniendo el segundo conducto de combustible un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el segundo conducto de combustible, intersecando el eje longitudinal el plano frontal (10fp) del quemador con un ángulo α con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -α) con respecto al eje mayor de la segunda tobera interior (15IN);
en donde el eje longitudinal del primer conducto de combustible y el eje longitudinal del segundo conducto de combustible forman entre sí un ángulo de 2α; y
en donde 0 < α <= 20° o 5° < α <= 20°.
8. El quemador de la reivindicación 7,
en donde el eje longitudinal del primer conducto de combustible (13c) interseca el plano definido por el eje mayor y el eje menor de la primera tobera interior (13IN) con un ángulo β con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -β) con respecto al eje menor de la primera tobera interior (13IN);
en donde el eje longitudinal del segundo conducto de combustible (15c) interseca el plano definido por el eje mayor y el eje menor de la segunda tobera interior (15IN) con un ángulo β con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -β) con respecto al eje menor de la segunda tobera interior (15IN);
en donde el eje longitudinal del primer conducto (13c) de combustible y el eje longitudinal del segundo conducto (15c) de combustible forman, cada uno, un ángulo alejándose de la tobera de escalonamiento (17); y en donde 0 < β <= 10°.
9. El quemador de la reivindicación 1, que comprende, además:
un primer conducto (13c) de combustible configurado para suministrar combustible a la primera tobera interior (13IN), teniendo el primer conducto de combustible un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el primer conducto de combustible, intersecando el eje longitudinal el plano frontal (10fp) del quemador con un ángulo β con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -β) con respecto al eje menor de la primera tobera interior;
un segundo conducto (15c) de combustible configurado para suministrar combustible a la segunda tobera interior (15IN), teniendo el segundo conducto de combustible un eje longitudinal alineado con una dirección de flujo de combustible en el segundo conducto de combustible, intersecando el eje longitudinal el plano frontal (10fp) del quemador con un ángulo β con respecto a la perpendicular y con un ángulo complementario (90° -β) con respecto al eje menor de la segunda tobera interior;
en donde el eje longitudinal del primer conducto de combustible y el eje longitudinal del segundo conducto de combustible forman, cada uno, un ángulo alejándose de la tobera de escalonamiento (17); y
en donde 0 < β <= 10°.
10. El quemador de la reivindicación 1, en donde un flujo total de combustible y un caudal total de oxidante se proporcionan al quemador (10) en una relación de equivalencia, en donde una relación de equivalencia de 1 indica una relación estequiométrica entre el combustible y el oxidante, una relación de equivalencia mayor que 1 indica una estequiometría rica en combustible, y una relación de equivalencia menor que 1 indica una estequiometría pobre en combustible, comprendiendo además el quemador:
un controlador (CTRL) programado:
para controlar independientemente el flujo de combustible a cada una de la primera tobera interior (13IN) y la segunda tobera interior (15IN); y
controlar la distribución del flujo total de oxidante para que consista en un flujo de oxidante primario repartido entre la primera tobera anular (13AN) y la segunda tobera anular (15AN) y un flujo de oxidante secundario proporcionado a la tobera de escalonamiento (17), en donde el flujo de oxidante primario es del 60 % al 95 % del flujo total de oxidante,
el flujo de oxidante primario se reparte preferentemente entre la primera tobera anular y la segunda tobera anular en una relación de 0,9 a 1,1.
11. El quemador de la reivindicación 10, en donde el controlador (CTRL) está programado para hacer funcionar el quemador (10) en un modo proporcional en el que el flujo total de combustible se suministra a la primera tobera interior (13IN) y a la segunda tobera interior (15IN), de tal manera que la relación de equivalencia del primer elemento (13) de quemador es de 1,05 a 1,5 y la relación de equivalencia del segundo elemento (15) de quemador es de 1,05 a 1,5.
12. El quemador de la reivindicación 10, en donde el controlador (CTRL) está programado para hacer funcionar el quemador (10) en un modo alternante en el que el reparto del flujo total de combustible entre la primera tobera interior (13IN) y la segunda tobera interior (15IN) conmuta alternativamente entre un primer estado en el que el primer elemento (13) de quemador está activo mientras que el segundo elemento (15) de quemador está pasivo y un segundo estado en el que el primer elemento (13) de quemador está pasivo mientras que el segundo elemento (15) de quemador está activo,
estando preferentemente, el controlador (CTRL) programado para conmutar entre el primer estado y el segundo estado en función de uno o más del transcurso de un periodo de tiempo predeterminado y de los datos de un sensor situado para detectar al menos una condición en el horno;
en donde un elemento (13, 15) de quemador activo está caracterizado por una relación de equivalencia de 1,4 a 3 y un elemento (13, 15) de quemador pasivo está caracterizado por una relación de equivalencia de 0,1 a 1.
13. El quemador de la reivindicación 1,
en donde la primera tobera anular (13AN) y la segunda tobera anular (15AN) tienen, cada una, un eje mayor y un eje menor que coinciden con el eje mayor y el eje menor de la primera tobera interior (13IN) y la segunda tobera interior (15IN), respectivamente, en donde el eje menor de cada una de la primera tobera anular y la segunda tobera anular está definido por una altura h<o>;
en donde el combustible sale de cada una de la primera tobera interior y la segunda tobera interior a una velocidad de combustible;
en donde el oxidante primario sale de cada una de la primera tobera anular y de la segunda tobera anular a una velocidad de oxidante primario; y
en donde una relación h<o>/h<f>está dimensionada para obtener una relación entre la velocidad del combustible y la velocidad del oxidante primario de 1 a 4.
14. El quemador de la reivindicación 1, que comprende, además:
un orificio (11) de llama piloto situado debajo del primer elemento (13) de quemador, estando una parte superior del orificio (11) de llama piloto separada verticalmente de una parte inferior de la primera tobera anular (13AN) a una tercera separación vertical H3, de tal manera que 2 <= H3/h<f><= 20; y
en donde una parte inferior del segundo elemento (15) de quemador está separada de una parte superior de la primera tobera anular (13AN) a una primera distancia vertical H1, en donde 2 <= H1/h<f><= 20; y
en donde una parte inferior de la tobera de escalonamiento (17) está separada de una parte superior de la segunda tobera anular (15AN) a una segunda distancia vertical H2, en donde 2 <= H2/h<f><= 20; y
en donde el eje menor de la primera tobera interior (13IN) está desplazado respecto al eje menor de la segunda tobera interior (15IN) a una distancia B, en donde 0 < B/L <= 1,5; y
en donde el eje menor de la primera tobera interior (13IN) y el eje menor de la segunda tobera interior (15IN) son sustancialmente paralelos entre sí dentro de una desviación menor o igual que 5°.
15. Un horno que comprende:
una pared (6);
una bóveda;
un baño (2) de material sólido y/o líquido; y
el quemador (10) de la reivindicación 1 situado en la pared (6) de modo que el primer elemento (13) de quemador esté más cerca del baño (2) que el segundo elemento (15) de quemador y la tobera de escalonamiento (17) esté más cerca de la bóveda que el segundo elemento (15) de quemador.
16. Un método de funcionamiento del quemador de la reivindicación 1 en un horno, comprendiendo el método: hacer fluir hacia el quemador (10) un flujo total de oxidante que consiste en un flujo de oxidante primario repartido entre la primera tobera anular (13AN) y la segunda tobera anular (15AN) y un flujo de oxidante secundario proporcionado a la tobera de escalonamiento (17), en donde el flujo de oxidante primario es de 60 % a 95 % del flujo total de oxidante, y en donde el flujo de oxidante primario se reparte entre la primera tobera anular y la segunda tobera anular en una relación de 0,9 a 1,1;
hacer fluir un flujo total de combustible hacia el quemador (10), y
conmutar el funcionamiento del quemador (10) entre un modo proporcional y un modo alternante;
en donde en el modo proporcional, el flujo total de combustible se reparte entre la primera tobera interior (13IN) y la segunda tobera interior (15IN), de tal manera que la relación de equivalencia del primer elemento (13) de quemador sea de 1,05 a 1,5 y la relación de equivalencia del segundo elemento (15) de quemador sea de 1,05 a 1,5;
y en donde en el modo alternante, el flujo total de combustible repartido entre la primera tobera interior (13IN) y la segunda tobera interior (15IN) conmuta alternativamente entre un primer estado en el que el primer elemento (13) de quemador está activo mientras que el segundo elemento (15) de quemador está pasivo y un segundo estado en el que el primer elemento (13) de quemador está pasivo mientras que el segundo elemento (15) de quemador está activo, en donde un elemento de quemador activo está caracterizado por una relación de equivalencia de 1,4 a 3 y un elemento de quemador pasivo está caracterizado por una relación de equivalencia de 0,1 a 1; y
en donde una relación de equivalencia de 1 indica una relación estequiométrica entre el combustible y el oxidante, una relación de equivalencia mayor que 1 indica una estequiometría rica en combustible y una relación de equivalencia menor que 1 indica una estequiometría pobre en combustible.
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