MEDIOS DE MATRIZ PARA REDUCIR EL VOLUMEN DE COMBUSTIÓN DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a la combustión de combustibles fósiles, y en particular, a un método y aparato nuevo y útil para la combustión de combustibles gaseosos en una caldera de generación de vapor. Los quemadores de combustibles fósiles convierten la energía química almacenada en combustibles fósiles en calor térmico al quemar los combustibles fósiles en presencia de un oxidante. En aplicaciones de generación de energía, el calor térmico se puede transferir al agua con el fin de producir vapor para impulsar electricidad que producen las turbinas. En aplicaciones que no generan energía, el calor térmico se puede transferir a cualquier número de objetos o procesos imaginables. Las calderas de generación de calor convencionales generalmente comprenden uno o más quemadores, uno o más puntos de inyección del combustible, uno o más puntos de inyección del oxidante, y un medio para impulsar el combustible y el oxidante inyectados en un horno de combustión. A partir de la ignición de la mezcla de oxidante/combustible (Figura 1) se forma un envolvente 4 de combustión que comprende una flama 3 y una zona 2 de mezclado de oxidante/combustible entre la flama 3 y el quemador 1. Las Figuras 2 y 3 son representaciones esquemáticas
de calderas de generación de vapor convencionales que utilizan un quemador sencillo o quemadores múltiples respectivamente . Las paredes internas comprenden una pluralidad de tubos 6 de generación de vapor conectados fluidamente a un grupo de calderas (no mostrado) . El calor térmico producido dentro del envolvente 4 de combustión calienta radiantemente los tubos 6, los cuales, a su vez, conducen energía térmica al agua en los tubos 6 con el propósito de generar vapor. En muchas calderas de generación de vapor, la longitud y la anchura del envolvente 4 de combustión juega un papel integral en el diseño del horno 5 de combustión. En calderas de FM, por ejemplo, el horno 5 de combustión se diseña, de preferencia, lo suficientemente grande para evitar el contacto excesivo del envolvente 4 de combustión con las paredes 10 del horno. También conocido como choque de la flama, vista en la Figura 3, el contacto excesivo de la flama 3 con la pared 10 del horno puede dar como resultado una combustión incompleta, que lleva a emisiones mayores de CO y a la combustión de otros subproductos, o degradación prematura que lleva a reparaciones costosas y a tiempo de inactividad de la caldera. En consecuencia, los hornos 5 de combustión por lo general se diseñan para incorporar un envolvente 4 de combustión del quemador dado al mismo tiempo que minimizan la posibilidad de choque de la flama.
Los quemadores convencionales por lo general utilizan mecanismos para control de flujo para controlar la expansión axial y radial del envolvente 4 de combustión. La expansión radial del envolvente 4 de combustión por lo general es una función de remolino y la expansión natural del combustible, del oxidante y de la flama. Algunos diseños de quemadores convencionales utilizan mecanismos para control de flujo para restringir la expansión radial natural del envolvente 4 de combustión, dando como resultado una flama más estrecha y más larga. Las fuerzas de corte creadas mediante los mecanismos para control de flujo también se pueden utilizar para influenciar el grado de mezclado del oxidante/combustible antes de la combustión, teniendo así un efecto en las emisiones, tales como CO y NOx. La existencia de oxidante y de combustible y la habilidad de que se mezclen antes de la combustión tiene influencia en la longitud de un envolvente 4 de combustión dentro de un horno 5 de combustión. Las flamas más grandes por lo general son el resultado de un suministro insuficiente de oxidante o de un mezclado inadecuado del oxidante y del combustible dentro del envolvente 4 de combustión. Las flamas mas chicas por lo general son el resultado de un suministro suficiente de oxidante y del mezclado adecuado del oxidante y del combustible dentro del envolvente 4 de combustión. La longitud de la flama también puede tener influencia de la
velocidad a la cual la corriente de combustible y/o de oxidante entran al envolvente 4 de combustión. Velocidades excesivas o interrupciones momentáneas de las corrientes de combustible y/o de oxidante pueden provocar que la flama 3 del quemador pierda ignición. Tal pérdida de ignición es especialmente no deseable, ya que puede dar como resultado en una acumulación de combustibles susceptibles a una explosión violenta en la reignición. La Secretaría de Energía de los E.U. expresó que existe una necesidad que se percibe desde hace mucho tiempo de reducir el tamaño y el peso de las calderas de generación de vapor, tal como calderas industriales. Las calderas de generación de vapor convencionales se construyen para incorporar el tamaño del envolvente 4 de combustión producido. En consecuencia, existe una necesidad que se percibe desde hace mucho tiempo de desarrollar un envolvente 4 de combustión capaz de producir energía térmica suficiente para la producción de vapor en un volumen significativamente menor, permitiendo así la producción de diseños de calderas de generación de vapor más pequeñas, más ligeras y más compactas . La presente invención soluciona los problemas anteriormente mencionados y proporciona una caldera de generación de vapor capaz de encender combustibles líquidos, combustibles gaseosos o cualquier combinación de los mismos.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor compacta. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor con un envolvente de combustión radialmente más amplio y axialmente más corto que aquel de las calderas de generación de vapor convencionales . Otro objetivo de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor bajo de NOx y bajo de CO . Otro objetivo de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor capaz de mantener, de modo pasivo, una fuente de ignición constante. Aún otro objetivo de la presente invención es proporcionar un medio para diseñar una caldera de generación de vapor de tamaño y peso reducidos en comparación con aquellos de la caldera de generación de vapor convencionales. La presente invención describe una caldera de generación de vapor. Una caldera de generación de vapor de acuerdo con la presente invención comprende un horno de combustión, una entrada para oxidante, una entrada para combustible, un medio de matriz y tubos para vapor. Las diversas características de novedad que caracterizan a la presente invención se señalan con particularidad en las reivindicaciones anexas y que forman
parte de esta descripción. Para un mejor entendimiento de la invención, de sus ventajas operativas y de los objetivos específicos alcanzados mediante sus usos, se hace referencia a los dibujos anexos y al asunto descriptivo en que se ilustran las modalidades preferidas de la invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS En los dibujos anexos, que forman parte de esta especificación, y en los que números de referencia mostrados en los dibujos designan partes similares o correspondientes a través de la misma: La Figura 1 es una representación esquemática de un envolvente de combustión. La Figura 2 es una representación esquemática de una caldera industrial convencional que utiliza un quemador sencillo. La Figura 3 es una representación esquemática de una caldera industrial convencional que utiliza más de un quemador . La Figura 4 es una representación esquemática de un envolvente de combustión no deseado, en donde se produce un contacto de flama excesiva a lo largo de la longitud y de la anchura del horno de combustión. La Figura 5 es una modalidad de la presente invención, en donde un medio de matriz se adapta al horno de combustión de una caldera de generación de vapor existente.
La Figura 6 es una ilustración de una modalidad de la presente invención, en donde se introducen un combustible y un oxidante corriente arriba de un medio de matriz. La Figura 7 es una ilustración de una modalidad de la presente invención, en donde se introducen un combustible y un oxidante en los costados de un medio de matriz. La Figura 8 es una ilustración de una modalidad de la presente invención, en donde se introducen un combustible y un oxidante tanto en el frente como en el o los costados de un medio de matriz. La Figura 9 es una modalidad preferida de un medio de matriz de acuerdo con la presente invención, en donde se ilustran las secciones transversales de la matriz. La Figura 10 es una representación gráfica de una modalidad de la presente invención, donde se utilizan dos medios de matriz para facilitar la combustión por etapas. La Figura 11 es una representación gráfica de una modalidad de combustión por etapas de la presente invención, en donde se utiliza enfriamiento entre etapas en una caldera de combustión por etapas en un medio de doble matriz. La Figura 12 es una ilustración gráfica de una modalidad alternativa de un medio de matriz de acuerdo con la presente invención. La Figura 13 es una ilustración gráfica de otra modalidad alternativa de un medio de matriz de acuerdo con la
presente invención. La presente invención utiliza una combinación de características para mejorar a partir del diseño de calderas de generación de vapor encendidas mediante petróleo o gas convencionales. Las calderas de generación de vapor encendidas mediante petróleo o gas convencionales incluyen, pero no se limita a: FM, FM de alta capacidad, PFM, PFI , PFT, SPB y RB; todos los cuales se describen en el Capítulo 27 de Steam/its Generation and Use, 41th Edition, Kitto and Stultz, Eds., ® 2005 The Babcock & Wilcox Company, el texto del cual se incorpora por la presente para su referencia como si se estableciera en su totalidad en la presente. Para propósitos de explicación de la presente invención, se utilizan en la presente vistas esquemáticas de caldera de FM. Sin embargo, como puede apreciarse por uno de experiencia ordinaria en la técnica, la intención de utilizar esquemas de caldera de FM es solamente para razón de ejemplo, y no intenta limitar la presente invención a aquella de las modalidades de caldera de FM Con referencia a las Figuras 2 y 3, se muestran las representaciones esquemáticas de las calderas de FM de la técnica anterior. Dentro de la caldera de FM, una pared 20 desviadora separa un horno 5 de combustión de un grupo de calderas (no mostrado) . El envolvente 4 de combustión se localiza en el interior del horno 5 de combustión. El
combustible y el oxidante se envían al horno 1, produciendo un envolvente 4 de combustión a partir de la ignición. Las paredes 10 internas del horno de combustión comprenden una serie de tubos 6 conectados fluidamente a un colector 7 de vapor, produciendo vapor que se utiliza para el proceso de propósitos de generación eléctrica. La forma que se difunde en forma de cono del envolvente 4 de combustión da como resultado un volumen del horno de combustión no utilizado significante junto con el envolvente 4 de combustión a medida que se expande. Un objeto de la presente invención es reducir el volumen del horno de combustión no utilizado. La presente invención proporciona una matriz 8, colocada ya sea durante o anterior a la flama del envolvente de combustión. Con referencia a la Figura 5, se muestra una modalidad adaptada de la presente invención. La Matriz 8 se coloca con el horno 5 de combustión corriente abajo del quemador 1. El combustible y el oxidante entran en la matriz 8, en donde el diseño en sección transversal de la matriz 8 proporciona un medio para mezclar en forma pasiva corrientes gaseosas y para dispersar radialmente el envolvente 9 de combustión resultante . Se proporciona a la matriz 8 por lo menos una corriente de combustible gaseoso y por lo menos una corriente de oxidante gaseoso, o combinaciones de las mismas. Las
corrientes gaseosas pueden entrar en la matriz 8 desde cualquier costado. La Figura 6 ilustra una modalidad preferida, donde la corriente 12 de combustible y la corriente 11 de oxidante se introducen corriente arriba de la matriz 8. De manera alterna, como se muestra en la Figura 7 y en la Figura 8, las corrientes 11, 12 gaseosas pueden entrar a la matriz 8 desde el o los costados solamente o desde una combinación del frente y del o los costados de la matriz 8. Con referencia a la Figura 9, se ilustra una modalidad preferida de la matriz 8 de acuerdo con la presente invención. En esta modalidad, el aparato de combustión es una matriz 8 que comprende por lo menos una capa de esferas. Las esferas se pueden disponer ya sea de manera aleatoria u ordenada dentro de la matriz 8. Las esferas pueden ser de naturaleza hueca, sólida o porosa, o cualquier combinación de las mismas. El tamaño de las esferas puede variar o puede ser de un tamaño sustancialmente similar. Las esferas comprenden preferiblemente un metal o cerámico de temperatura alta capaz de resistir las temperaturas extremas a las que se puede exponer la matriz 8 durante la combustión de combustibles fósiles, sin embargo, se pueden utilizar las esferas que comprenden cualquier material conocido. Con referencia a la Figura 9, se identifican cuatro planos de matriz en corte transversal para representar esquemáticamente variaciones en un área abierta para el flujo
gaseoso a través de la matriz 8. El Plano 1 se abre aproximadamente 46 por ciento, el plano dos se abre aproximadamente 31 por ciento, el plano 3 se abre alrededor del 9 por ciento y el plano 4 se abre alrededor del 58 por ciento. Un objeto de la presente es el mezclado mejorado de las corrientes gaseosas. El mezclado mejorado se logra en presencia de una matriz 8 que comprende por lo menos dos planos en corte transversal que tienen porcentajes distintos de área abierta, tal como un primer plano en corte transversal posee un porcentaje mayor de área abierta para el flujo gaseoso que un segundo plano en corte transversal. El plano 1 y el plano 2 de la Figura 9 son dos planos en corte transversal que tienen porcentajes distintos de área abierta para el flujo gaseoso. A medida que las corrientes gaseosas pasan entre los dos planos, se encuentra una diferencia de presión, forzando a que las corrientes de gas se compriman o se expandan; creando así fuerzas de corte y mezclando las corrientes gaseosas. La mezcla superior proporcionada por la matriz 8, minimiza el CO y aumenta el aire que se necesita para completar la combustión. Otro objeto de la presente invención es dispersar radialmente el envolvente de combustión. La dispersión radial se logra en presencia de una matriz 8 que comprende por lo menos des planos en corte transversal que tienen porcentajes
distintos de área abierta, en donde los dos planos se toman a partir de ejes distintos, y un primer plano en corte transversal posee un porcentaje mayor de área abierta para el flujo gaseoso que el segundo plano en corte transversal. El plano 3 y el plano 4 de la Figura 9 son planos en corte transversal de eje distintos que tienen porcentajes distintos de área abierta para el flujo gaseoso. A medida que las corrientes gaseosas se aproximan al plano 3, la resistencia se encuentra debido al área abierta relativamente baja para el flujo gaseoso a través del plano 3, forzando a una porción de gas a cambiar su vector hacia un plano de resistencia de flujo menor, tal como el plano 4; suprimiendo así axialmente y dispersando radialmente el envolvente de combustión. La presente invención proporciona un aparato de combustión que permite diseños de caldera de generación de vapor al mismo tiempo que mantiene una salida de calor similar. Con referencia nuevamente a la Figura 5, se muestra una representación esquemática de la presente invención adaptada a una caldera de FM convencional. La presente invención expande radialmente el envolvente 4 de combustión, dando como resultado un envolvente 9 de combustión más corto, en donde el volumen de combustión no utilizado se separa corriente abajo del envolvente 9 de combustión. En aplicaciones adaptadas, el equipo de generación de vapor
adicional puede colocarse en el volumen de combustión no utilizado, maximizando así el potencial de generación de energía . Un beneficio de reducir la profundidad de un horno de combustión es la habilidad de desarrollar diseños de calderas compactas nuevas sin sacrificar la salida de calor. Los hornos 5 de combustión en calderas de generación de vapor por lo general se diseñan para incorporar un envolvente 4 de combustión dado al mismo tiempo que minimizan el riesgo de un choque de la flama. La reducción del envolvente 4 de combustión permite una reducción de la profundidad del horno significativa en cualquier salida de calor dada. El uso de la presente invención reduce el tamaño de la caldera, y de este modo el peso, ya que calderas más pequeñas utilizan considerablemente menos materias primas para fabricar las paredes y los tubos 6 de la caldera. La matriz 8, de acuerdo con la presente invención, puede colocarse en cualquier lugar dentro del envolvente 4 de combustión. Preferiblemente, la matriz 8 se coloca dentro de la zona 2 de mezclado y será de una profundidad suficiente para permitir que la combustión comience dentro de la matriz 8 y que las flamas 3 de combustión salgan de la matriz 8 corriente abajo de donde se introducen el combustible y el oxidante. En esta modalidad, la anchura de la flama se maximiza a medida que la ignición de la corriente de
combustible crea fuerzas de expansión, permitiendo la expansión radial posterior dentro de la matriz 8. Un beneficio adicional de la presente invención es mantener de forma pasiva una fuente de ignición constante. En esta modalidad, la matriz 8 comprende un material capaz de retener calor térmico. Cuando una flama pierde ignición de otro modo debido a velocidades o a fluctuaciones excesivas en corrientes de combustible y/o de oxidante, el calor térmico conservado dentro de los elementos de la matriz proporciona un depósito térmico suficiente para mantener la ignición; evitando así situaciones no deseadas asociadas con el retraso de la reignición. En otra modalidad de la presente invención, una caldera de generación de vapor puede utilizar más de una matriz 8. La Figura 10 es una representación gráfica de una modalidad de la presente invención, donde se utilizan dos matrices para facilitar la combustión por etapas. En esta modalidad, una segunda matriz 14 se localiza corriente abajo de una primera matriz 8. La primera matriz 8 se proporciona con una corriente 18 de combustible y un oxidante 17 subestequiométrico para inhibir la producción no deseada de subproductos de combustión tal como NOx. Una segunda corriente 13 de oxidante, que proporciona oxigeno suficiente para quemar el combustible restante, se proporciona corriente abajo de la primer matriz 8 y corriente arriba de la segunda
matriz 14. La Figura 11 ilustra una modalidad de combustión por etapas de doble matriz alternativa, de acuerdo con la presente invención. En esta modalidad, los tubos 15 de enfriamiento se colocan entre las dos matrices 8, 14 con el objeto de controlar la temperatura de la flama y la formación de NOx térmico. También se puede colocar una placa 150 perforada corriente arriba de la primera matriz 8, realizando la función de actuar como una placa cortafuegos y/o de predistribuir el oxidante 17 subestequiométrico . En otra modalidad de la presente invención, se puede colocar un sensor 16 dentro del horno de combustión para observar el proceso de combustión dentro del horno 5 de combustión. En otra modalidad de la presente invención, se puede colocar un ignitor 160 dentro del horno de combustión para precalentar la matriz 8 o para encender un combustible y oxidante . La Figura 12 proporciona una representación gráfica de otra modalidad de la presente invención. En esta modalidad, la matriz 8 comprende un bloque de fibras aleatorio u ordenado o de partículas entrelazadas. Entre las fibras y partículas de esta modalidad se encuentran series de pasos internos que tienen secciones transversales de área abierta diversas para el flujo gaseoso que proporciona un
medio para el combustible gaseoso y corrientes de oxidante para mezclarse en forma pasiva y dispersarse radialmente dentro de la matriz 8. La sección A-A proporciona un vista en corte transversal de la presente modalidad. La Figura 13 proporciona una representación gráfica de otra modalidad de la presente invención. En esta modalidad la matriz 8 comprende losetas cocidas o ajustadas con orificios 19 de inyección. Se muestra una vista agrandada de una Sección B-B de esta modalidad, donde se muestran las dimensiones de corte transversal de los orificios 19 de inyección que varían a lo largo de la profundidad de la matriz 8. En otra modalidad de la presente invención, se puede alimentar oxidante y/o combustible a la matriz 8 en corrientes múltiples. En otra modalidad de la presente invención, la matriz 8 puede comprender elementos no esféricos o una combinación de elementos esféricos y no esféricos dispuestos ya sea de manera ordenada o no ordenada . En aún otra modalidad de la presente invención, las esferas o elementos conformados de manera alterna pueden revestirse con cualquier número de sustratos químicos conocidos para uno de experiencia ordinaria en la técnica con el fin de alternar la química del combustible, intensificando la combustión, y reduciendo las emisiones de contaminantes.
En aún otra modalidad de la presente invención, la matriz 8 en sí puede ser rectangular, circular o de cualquier otro diseño geométrico. En general, los elementos de la matriz 8 de la presente invención se mantienen cautivos mediante un aparato adecuado para prevenir el movimiento entre las esferas. Ejemplos de aparatos adecuados son, pero no se limitan a, armazones de alambre y/o unir química o mecánicamente los elementos de la matriz 8 uno al otro, En aún otra modalidad de la presente invención, se puede disponer de matrices múltiples en paralelo dentro de una caldera. En tal modalidad, se pueden quemar combustibles múltiples simultáneamente, proporcionando así flexibilidad de combustible de combustión a los diseños de calderas. En aún otra modalidad de la presente invención, se puede utilizar el aire a presión o los ventiladores de recirculación para crear una presión diferencial a lo largo de la matriz 8 ya sea para promover o para restringir el flujo gaseoso a través de la misma.