MX2007009684A - Dispositivo para extraer calor de gas y para recuperar condensados. - Google Patents

Abstract

La invencion se relaciona con un dispositivo paras extraer calor de gas, en particular gas de combustion, que contiene polvo y/o sustancias condensables para recuperar condensados, que comprende al menos un intercambiador de calor (4) que incluye una camara (13) que tiene una simetria de revolucion rodeada por un revestimiento de enfriamiento. La invencion se caracteriza porque comprende un orificio (9) para permitir el paso de un agente para el tratamiento de la superficie de la superficie interna de la camara, estando la camara (13) provista ademas con al menos un tornillo con paso helicoidal arreglado coaxialmente en un tubo (14).

Description

DISPOSITIVO PARA EXTRAER CALOR |DE GAS Y PARA RECUPERAR CONDENSADOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con el campo del tratamiento de gases calientes, particularmente gases de combustión, para recuperar, por un lado, el calor contenido en esos gases y, por el otro, los materiales condensables presentes en ellos. Se relaciona de manera más particular con el tratamiento de gas que contiene polvo y/o sustancias condensables, las cuales pueden en particular ser producidas en un horno, como un horno para fundir vidrio o material mineral similar. En un horno de vidrio, el material del lote de vidrio es calentado hasta el estado fundido a una temperatura de aproximadamente 1200 a 1300 °C usando energía calorífica proporcionada en particular por quemadores de gas. Los gases de combustión escapan del horno a una temperatura de aproximadamente 1000 a 1200 °C, introduciendo una cierta cantidad de materiales gaseosos derivados de componentes volátiles del lote de vidrio, como el boro.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La zona de salida del gas del horno está generalmente equipada con una torre de enfriamiento para recuperar parte del calor de los gases de combustión, para reutilizarlo para calentar el aire de combustión primario, y también para condensar los materiales volátiles para separarlos y descargar el gas enfriado a la atmósfera. La torre de enfriamiento generalmente comprende una primera etapa en la cual el fluido frío es aire atmosférico, el cual sale del intercambiador de calor a una temperatura de aproximadamente 600 °C y puede ser reciclado a los quemadores como aire oxidante, una etapa en la cual los gases de combustión tratados salen a una temperatura de aproximadamente 700°C, y una segunda etapa en la cual el fluido frío es agua rociada directamente a los gases de combustión tratados, produciendo la solidificación en polvo de las sustancias condensables. La mezcla de gas enfriado, vapor y polvo es entonces separada por un filtro electrostático el cual captura el polvo y descarga un gas a una temperatura de aproximadamente 400°C. Esta descarga a la atmósfera representa una pérdida sustancial de energía que puede contabilizar hasta varios megavatios .horas de operación de una instalación de producción de vidrio industrial. Sin embargo, la presencia de materiales condensables, los cuales representan varios gramos de materiales por metro cúbico de gas caliente, impide el tratamiento de este gas en un intercambiador de calor convencional, debido a que este sería obstruido muy rápidamente por el polvo condensado. Únicamente sería capaz de operar en ciclos cortos interrumpidos por ciclos de limpieza los cuales aumentan las dificultades técnicas intrínsecas reales y que también es probable que perturben la producción de vidrio. En efecto, la descarga a la atmósfera del material condensable será prohibida en breve por la legislación ambiental. Por lo tanto se vuelve necesario que los gases de combustión sean separados de material condensable antes de la descarga.

LA INVENCIÓN El objetivo de la invención es resolver este problema de control de contaminación con humo y proporcionar un dispositivo capaz de extraer el calor de esos gases calientes de manera durable a través de la producción de los gases sin perturbar la producción. A este respecto, el objetivo de la invención es un dispositivo para extraer calor de gas, particularmente gas de combustión, que contiene polvo y/o sustancias condensables, para recuperar los condensados, que comprende al menos un intercambiador de calor que comprende un revestimiento que tiene una simetría de revolución rodeada por una camisa de enfriamiento, caracterizado porque comprende una abertura para el paso de una mezcla óptima de tensoactivo para tratar la superficie interna del revestimiento, estando el revestimiento provisto además con al menos un tornillo helicoidal arreglado coaxialmente en un tubo. Gracias a este flujo giratorio del flujo de gas, el polvo y/o las sustancias se proyectan contra las paredes frías de la cámara de tratamiento y se condensan sobre esas paredes frías a las cuales se adhieren, y la acumulación de sólidos es destruida por abrasión después del paso del tensoactivo a través de la cámara. El fluido que fluye en la camisa de enfriamiento puede ser de cualquier tipo comúnmente empleado, particularmente aceite o agua. De acuerdo a otras características ventajosas, el dispositivo tiene una forma que es sustancialmente cilindrica, cónica, frustocónica o resultante de la combinación de al menos un cilindro y al menos un cono o cono truncado. El dispositivo está arreglado, de manera preferible, horizontalmente. Las dimensiones del dispositivo y el número de cámaras incorporadas dentro del dispositivo están adaptadas al volumen de gas a ser tratado de acuerdo a la instalación que producen los gases. La porción que contiene el flujo de gas que gira de manera sustancialmente helicoidal es, de manera preferible, suficientemente larga para que el flujo efectúe al menos dos vueltas espirales, al menos cuatro, particularmente al menos 5.

Los medios para crear un flujo de gas giratorio comprenden al menos un tornillo helicoidal arreglado coaxialmente en un tubo. En una modalidad ventajosa, los medios para crear un flujo de gas giratorio comprenden, por un lado, medios para transportar gas caliente tangencialmente hacia el dispositivo de tratamiento, y por el otro, tornillos helicoidales. El movimiento giratorio helicoidal se obtiene fácilmente a lo largo de la longitud deseada seleccionando la velocidad de entrada del gas y el paso del tornillo, el cual puede, de manera opcional, no ser constante a todo lo largo de la longitud del tornillo. De acuerdo a una característica ventajosa de la invención, el tratamiento superficial de la superficie interna de cada una de las cámaras, o de manera más precisa la limpieza, también puede ser continua durante la operación del dispositivo, gracias a medios para llevar un tensoactivo sólido al flujo de gas giratorio. Al igual que el polvo, el tensoactivo se proyecta contra la pared fría de la cámara bajo el efecto de la fuerza centrífuga, y la energía cinética de las partículas de tensoactivo sólidas es entonces suficiente para desprender por abrasión el depósito de polvo que se ha adherido a la pared fría. De acuerdo a los tipos de materiales del dispositivo y de los depósitos, el tensoactivo puede ser seleccionado para desprender por abrasión el depósito adherido a las paredes de la cámara. De manera ventajosa, el tensoactivo es seleccionado de los componentes de la composición de lote de vidrio que se usó inicialmente en el horno, para reciclar estos a esta composición. En consecuencia el dispositivo comprende medios para llevar y recolectar el tensoactivo, respectivamente corriente arriba y corriente abajo de la parte del dispositivo que contiene el flujo de gas giratorio para recuperar el polvo o sólidos condensados y/o reciclar el tensoactivo. Los gases pueden ser expedidos en cualquier forma conocida, especialmente de manera tangencial al eje del revestimiento para un revestimiento cilindrico en particular, o axialmente. De acuerdo a una modalidad ventajosa, el dispositivo de tratamiento y su camisa de enfriamiento consiste de una camisa externa que rodea un volumen interno limitado por una mampara penetrada por una pluralidad de tubos y que forma cámaras de intercambio de calor, recibiendo cada una de esas cámaras un tornillo helicoidal. Por otro lado, esta constituye una doble pared que resiste presiones internas muy altas. Por el otro, la yuxtaposición de los tubos de sección circular ofrece un área de intercambio de calor mayor que el área ofrecida por una superficie plana. Entre otras aplicaciones del dispositivo descrito, un objetivo de la invención es un horno, particularmente un horno para fundir vidrio o material mineral similar, que comprende una zona de salida para el gas caliente gue contiene polvo y/o sustancias condensables y equipado con una unidad para enfriar el gas caliente, caracterizado porque la unidad de enfriamiento comprende al menos un dispositivo para extraer calor y para condensar las sustancias condensables como se describió anteriormente. En esta aplicación, parte del polvo puede ser demasiado fino para continuar adherido a la pared interna de la cámara de tratamiento. El horno puede entonces comprender además medios para transferir el gas enfriado en la unidad de enfriamiento a un filtro el cual captura el polvo y descarga el gas filtrado a la atmósfera. Gracias al dispositivo de intercambio de calor de acuerdo a la invención, el cual está diseñado para recuperar polvo y sustancias condensables atrapadas con los gases de combustión, el rendimiento de un proceso, particularmente un proceso de fusión, puede ser mejorado reintroduciendo el polvo y las sustancias recolectadas por el intercambiador en el material del lote a ser tratado en el horno o directamente en el horno.

Si el polvo y las sustancias condensables son recuperadas por abrasión usando un tensoactivo, el uso de un componente del material del lote de vidrio, particularmente la arena usada como tensoactivo, es especialmente ventajoso en un horno de vidrio debido a que puede ser reciclado con el polvo como material crudo para el lote de vidrio. El dispositivo de intercambio de calor puede ser dimensionado para extraer una cantidad suficiente de calor para producir vapor. Para este propósito, puede ser usada agua directamente como fluido de enfriamiento en la camisa del dispositivo de acuerdo a la invención. En este caso, la forma y construcción de las cámaras y la camisa son seleccionadas para resistir las cargas aplicadas por la presión del vapor en la camisa.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la lectura de la descripción de los dibujos anexos a la presente, en los cuales: - la figura 1 muestra esquemáticamente un horno de vidrio equipado con un dispositivo de acuerdo a la invención, - la figura 2 muestra una vista en perspectiva de este dispositivo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN Con el propósito de ser claros, debe establecerse que los elementos como se muestran en las figuras no se reprodujeron necesariamente a escala, ciertas dimensiones han sido incrementadas o reducidas, y que algunos detalles de construcción no pudieron haber sido omitidos puesto que no son esenciales para comprender la invención. La instalación mostrada en la figura 1 comprende esencialmente un horno de vidrio 1, suministrado con un lote de vidrio por medios apropiados comunes 2, y en el cual la energía de fusión es proporcionada por quemadores de gas 3. El vidrio producido en el horno es desviado por medios, no mostrados, para ser formados en productos que pueden ser de una amplia variedad, particularmente productos basados en lana o fibras de vidrio, como productos de relleno, malla o red y otros productos, o pueden ser agregados varios materiales orgánicos o inorgánicos al vidrio. En un extremo del horno, los gases de combustión, los cuales son cargados en particular con compuestos gaseosos derivados de elementos volátiles en el lote de vidrio, son enviados a una unidad de enfriamiento 4, donde son enfriados de una temperatura de aproximadamente 1000°C a una temperatura de aproximadamente 200°C. Esta unidad comprende un primer intercambiador de calor 5 usando aire atmosférico 6 como fluido frío. Este intercambiador de calor está dimensionado de modo que el calor extraído por el aire 6 eleve la temperatura del mismo hasta aproximadamente 600°C, de modo que pueda ser usado de manera ventajosa como oxidante caliente reintroducido 7 en los quemadores 3. La temperatura de los gases de combustión gue abandonan el primer intercambiador de calor es de aproximadamente 700°C. A esta temperatura, las sustancias condensables derivadas de los elementos volátiles del lote de vidrio están aún en estado gaseoso, y el intercambiador de calor 5 no ha sido expuesto a ningún material sólido. La unidad 4 comprende un segundo intercambiador de calor 8 en serie con el primer intercambiador de calor 5, para extraer una fracción adicional de calor de los gases enfriados a 700°C haciendo disminuir la temperatura de los gases por debajo del punto de solidificación de los materiales volátiles condensables. El intercambiador de calor 8 (mostrado con detalle en la figura 2) consiste de un dispositivo de acuerdo a la invención, que tiene esencialmente la forma de un cuerpo cilindrico alargado en el cual están arreglados los medios de intercambio de calor. Este comprende una entrada de gas 9 tangencialmente hacia el eje del cuerpo tubular, y una salida de gas axial 10 arreglada sobre el lado opuesto del lado de alimentación. Esta dimensionado de modo que los gases tratados que abandonen el dispositivo sean enfriados a una temperatura de aproximadamente 200°C. Los gases están además, al menos parcialmente libres de polvo, siendo el polvo recolectado en un recolector 11. Los gases que abandonan el dispositivo pueden entonces ser tratados antes de su descarga a la atmósfera, usando un filtro 12 que puede ser de cualquier tipo conocido, de manera ventajosa un filtro de tela simple, o un filtro electrostático como aquéllos generalmente empleados para tratar el gas caliente que abandona una torre de enfriamiento de rocío de agua. La estructura interna del dispositivo se muestra en una vista en perspectiva en la figura 2. La parte cilindrica de la cámara 13 del dispositivo consiste de un revestimiento formado de un tubo externo y una pluralidad de tubos internos 14 los cuales rodean la cámara de tratamiento, los tubos 14 entre los cuales fluye un flujo de fluido de enfriamiento 15, como el agua introducida vía una línea y descargada. Los tubos son mantenidos en su posición dentro del revestimiento usando una pluralidad de rebordes 16, 17 (dos pueden observarse en la figura 2), estando esos rebordes 16, 17 colocados de manera sustancialmente radial hacia el eje principal de la cámara. Cada uno de los tubos 14 incorpora un dispositivo para incrementar la turbulencia del flujo de gas en el tubo para obtener un mejor coeficiente de transferencia de calor en la superficie de intercambio de calor con el fluido de enfriamiento. La figura 2 muestra un tornillo helicoidal 18, opcionalmente con un paso de tornillo variable a todo lo largo de su longitud. Además, debido a los gradientes de temperatura alta presentes entre las partes corriente arriba y corriente abajo del tornillo 18, el tornillo 18 es hecho en su parte corriente arriba de acero inoxidable (gradiente alto) , y en su parte corriente abajo de acero al carbón, siendo la dirección corriente arriba/corriente abajo definida por la dirección de flujo de los gases expedidos desde el primer intercambiador de calor 5. Los gases a ser tratados son transportados vía una línea que se comunica con la entrada tangencial 9 arreglada sobre un lado de la parte cilindrica, cerca del reborde 16. Los gases introducidos tangencialmente en la periferia de cada tubo inician un movimiento giratorio dentro de cada tubo.

Como una variante no mostrada en las figuras 1 y 2, cada tubo y su tornillo son suministrados por su propia línea de entrada de gas a ser tratado, teniendo cada tubo también su propio dispositivo para inyectar un tensoactivo, adecuado para remover el polvo condensado sobre las paredes frías de cada uno de los tubos. Este movimiento giratorio es impuesto por la ubicación de la entrada tangencial en la periferia de cada tubo y por la presencia de propelentes o tornillos 18 dentro de los tubos 14, asegurando esta configuración en el establecimiento de un flujo de gas giratorio sustancialmente en toda la parte cilindrica. Esta geometría asegura una distribución o mezclado óptimo del tensoactivo dentro de cada tubo. El dispositivo puede operar bajo presión o vacío, instalando un fuelle respectivamente corriente arriba del dispositivo, por ejemplo sobre la línea, para empujar los gases a través del dispositivo, o corriente abajo de la salida para succionar los gases tratados hacia el exterior. La velocidad de los gases en el dispositivo es ventajosamente alta, de manera particular de aproximadamente 10 a 40 m/s en la entrada de gas caliente, correspondiendo a aproximadamente 10 a 30 m/s en la salida de gas enfriado. En la operación, los gases cargados con sustancias condensables, como boro (los cuales condensan a una temperatura inferior a 600°C, preferiblemente entre 600 y 200°C) , siguen la ruta impuesta sobre los gases dentro de los tubos 14 y fluyen a lo largo de la pared enfriada por el agua de enfriamiento. Al hacerlo así, la temperatura del gas disminuye, las sustancias condensables solidifican el polvo que se adhiera a la pared fría tras el contacto con ésta, particularmente bajo el efecto de la fuerza centrífuga, y forma un depósito sobre al menos parte de la longitud de los tubos. Este depósito puede dar lugar a problemas puesto que, al aumentar su grosor, aisla térmicamente la pared y hace disminuir la eficiencia de la transferencia de calor y finalmente, puede impedir el paso de los gases. Sin embargo, la forma del dispositivo permite una limpieza muy simple de la pared, usando los siguientes medios. El dispositivo comprende una reserva de tensoactivo 19 (visible en la figura 1) , especialmente de un material particulado abrasivo, como arena, capaz de proporcionar el material en el flujo de gas a ser tratado, vía una bifurcación en la línea o directamente hacia la cámara. El material abrasivo alimentado puede ser controlado por una válvula o por medios de alimentación similares 20. Para remover el depósito formado sobre la pared, es suficiente para liberar un flujo de material abrasivo, el cual puede ser muy bajo, con los gases a ser tratados. Las partículas de material son atrapadas en el flujo de gas giratorio y proyectadas por la fuerza centrífuga contra las paredes, de modo que desprendan el depósito y limpian la superficie de la pared interna de los tubos. El material abrasivo y el depósito desprendido de las superficies son capturados por el flujo de gas corriente abajo del dispositivo y son recolectados por cualquier dispositivo apropiado. Si el material abrasivo usado es arena, la instalación puede comprender medios para transportar los sólidos separados del colector a los medios para alimentar el horno con el lote de vidrio, debido a que la arena y el material del depósito pueden entrar en la composición del mismo. Un tratamiento muy corto suficiente para liberar la superficie del depósito y nuevamente alcanzar una eficiencia de transferencia de calor óptima, sin interrumpir el flujo de gas sin consecuencia sin perturbar el proceso corriente arriba del dispositivo. Para información, en las condiciones de intercambio de calor indicadas previamente (temperatura del gas caliente y frío, velocidad del gas) , el intercambiador de calor puede operar satisfactoriamente durante 8 horas consecutivas, después de lo cual un ciclo de limpieza de 10 minutos, usando 3 litros de arena, puede limpiar las superficies completamente. Un filtro 12 puede ser instalado sobre la línea de salida de gas para la completa separación de la arena y, opcionalmente del polvo, antes de que los gases alcancen el filtro. La invención ha sido descrita para el caso de un dispositivo con una porción cilindrica, pero no puede limitarse a una modalidad particular, y todas las otras formas previamente descritas también son factibles. De manera similar, la invención ha sido descrita preferiblemente para el caso de una instalación de fusión de vidrio, pero también se aplica al tratamiento de otros gases de combustión industriales. En particular, la unidad de enfriamiento de la cual el dispositivo de la invención forma parte, puede ser diseñada de manera diferente, con o sin otro intercambiador de calor, sin limitarse a los tipos mostrados en la figura 1.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES 1. Dispositivo para extraer calor de gas, particularmente gas de combustión, que contiene polvo y/o sustancias condensables, para recuperar los condensados, y que comprende al menos un intercambiador de calor que comprende un revestimiento que tiene una simetría de revolución rodeada por una camisa de enfriamiento, caracterizado porque comprende una abertura para el paso de una mezcla óptima de tensoactivo para tratar la superficie interna del revestimiento, estando el revestimiento provisto además al menos con un tornillo helicoidal arreglado coaxialmente en un tubo.
2. 2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo tiene una forma que es sustancialmente cilindrica, cónica, frustocónica o resultante de la combinación de al menos un cilindro y al menos un cono o cono truncado.
3. 3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el tratamiento de la superficie de la superficie interna de cada uno de los tubos es continuo durante la operación del dispositivo, gracias a medios para llevar un tensoactivo sólido al flujo de gas giratorio.
4. 4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el tensoactivo es seleccionado para desprender por abrasión el depósito adherido a las paredes del tubo.
5. 5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el tensoactivo es seleccionado de componentes de la composición del lote de vidrio que es usado inicialmente en el horno, para reciclar estos a esta composición.
6. 6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende medios para transportar y recolectar el tensoactivo, respectivamente corriente arriba y corriente abajo de la parte del dispositivo que contiene el flujo de gas giratorio.
7. 7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dispositivo de tratamiento y su camisa de enfriamiento consiste de una camisa externa que rodea un volumen interno limitado por mamparas penetradas por una pluralidad de tubos y que forman cámaras de intercambio de calor, recibiendo cada una de esas cámaras un tornillo helicoidal.
8. 8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso del tornillo helicoidal es variable.
9. 9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el tornillo helicoidal está hecho en dos partes, respectivamente de diferentes materiales, particularmente de acero inoxidable y acero al carbón.
10. 10. Horno, particularmente un horno para fundir vidrio o un material mineral similar, que comprende una zona de salida para gas caliente que contiene polvo y/o sustancias condensables y equipado con una unidad para enfriar el gas, caracterizado porque la unidad de enfriamiento comprende al menos un dispositivo de extracción de calor según cualquiera de las reivindicaciones precedentes .
11. 11. Horno según la reivindicación 10, caracterizado porque comprende medios para transferir el gas enfriado en la unidad de enfriamiento a un filtro el cual descarga el gas filtrado a la atmósfera.
12. 12. Horno según cualquiera de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque la unidad de enfriamiento comprende un intercambiador de calor según la reivindicación 8, y porque comprende medios para reintroducir los sólidos recolectados al material del lote a ser tratado en el horno o directamente al horno.