SISTEMA DE AIRE SECUNDARIO REFORZADO HIBRIDO Y METODOS PARA LA REDUCCION DE NO* EN GASES DE COMBUSTION
ANTECEDENTES DE LA INVENCION Esta invención se refiere en general a mejoras para aire secundario para el control de NOx. En particular, la invención se refiere a Aire Secundario para el control de NOx que comprende aire secundario y ventiladores reforzadores para suministrar adicionalmente aire secundario. Esta descripción está relacionada con otras patentes de aire secundario solo porque se aplica aire en etapas para reducir las emisiones de NOx, lo cual es común para todos los sistemas OFA. Algunas patentes relacionadas incluyen: US05727480, US06318277, US06325003, US06865994, US07004086, US07047891. Los contenidos de US06865994 y US07004086 se incorporan aquí por referencia . Uno de los problemas principales en la sociedad industrial moderna es la producción de contaminación de aire a través de una variedad de sistemas de combustión, tales como hervidores, hornos, motores, incineradores, y otras fuentes de combustión. Uno de los problemas de contaminación de aire más antiguamente conocidos es la emisión de óxido de nitrógeno (NOx). En hervidores y hornos modernos, las emisiones de NOx pueden ser eliminadas o por lo menos enormemente reducidas a través del uso de tecnología de aire
secundario (OFA). En esta tecnología, la mayor parte del aire de combustión va hacia la cámara de combustión junto con el combustible, pero además una porción del aire de combustión es retrasada para producir condiciones deficientes de oxígeno inicialmente , y después, para facilitar la combustión de CO y cualquier combustible residual. Los sistemas de OFA se basan en el momento de los chorros de OFA para proporcionar un mezclado efectivo con la corriente de gas de la combustión. Para una velocidad de flujo de masa de OFA dada, la penetración en la corriente de gas de la combustión y la velocidad de mezclado se controla a través del tamaño y número de chorros de OFA individuales y a través de su velocidad correspondiente. Velocidades más altas y pequeñas aberturas dan como resultado velocidades más rápidas de mezclado, mientras que aberturas más grandes conducen a una mejor penetración del aire en la corriente de gas de la combustión. En sistemas de combustión prácticos, la máxima velocidad de OFA que puede ser aplicada es típicamente limitada por el inventario de presión disponible en el sistema de suministro de aire de combustión, de manera que la velocidad de mezclado y la penetración de chorro no pueden ser controladas independientemente. Cuando la presión de la fuente de aire secundario es demasiado baja, se pueden utilizar ventiladores de refuerzo de alta presión para suministrar aire a alta presión a los inyectores de OFA. Los sistemas OFA totalmente reforzados son muy costosos y algunas
veces difíciles de adaptar debido a las limitaciones de peso y volumen en la super-estructura del hervidor. Una versión de aire secundario reforzado es denominada aire reforzado de rotación (ROFA), una tecnología suministrada por Mobotec. Los sistemas de OFA actuales pueden aplicar algunos métodos pasivos o activos para controlar el mezclado cerca del campo. En estos sistemas, se pueden generar estructuras de flujo a gran escala que significativamente reducen la efectividad del mezclado cerca de la salida del inyector. Esto conduce a la necesidad de velocidades de flujo de aire más altas que no se pueden obtener debido a las limitaciones de presión de inventario.
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
Un hervidor incorpora un sistema de inyección de aire secundario para reducir las emisiones de NOx. El hervidor comprende un dispositivo de combustión que incluye una pluralidad de quemadores principales suministrados con combustible fósil y aire para quemar en una zona de combustión, en donde los quemadores producen gases de la combustión que fluyen desde la zona de combustión hacia una zona de consunción. El hervidor además comprende por lo menos un inyector de aire secundario para suministrar aire secundario al dispositivo de combustión y por lo menos un inyector de aire secundario reforzador para suministrar aire a alta presión al dispositivo de combustión.
Un método para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) formado durante la combustión, también está dentro del alcance de la invención. El método comprende proporcionar un combustible fósil a un dispositivo de combustión. El dispositivo de combustión como el modalizado por la invención, incluye una pluralidad de quemadores principales suministrados con el combustible fósil y aire, para quemar el combustible fósil y aire en una zona de combustión. El quemado que produce gases de combustión fluye de la zona de combustión a la zona de consunción. El aire secundario es provisto al dispositivo de combustión a través de por lo menos un inyector de aire secundario a una primera presión. Además, como se modaliza por la invención, el aire secundario reforzador es suministrado a través de por lo menos un inyector de aire secundario reforzador a una segunda presión. El aire secundario de al menos un inyector de aire secundario está a una primera presión y está a una presión más baja que la segunda presión a partir de al menos un inyector de aire secundario reforzador. Estos y otros aspectos, ventajas y características salientes de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, la cual, cuando se toma junto con los dibujos anexos, en donde partes similares están designadas como caracteres de referencia similares a través de los dibujos, describe modalidades de la invención .
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una vista esquemática, en sección parcial de un dispositivo de combustión de un dispositivo de combustión encendido con combustible fósil, tal como el usado en un hervidor u horno encendido con combustible fósil, como se modaliza por la invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Al principio, a menos que se indique otra cosa, los términos técnicos y científicos usados aquí tienen el mismo significado como es comúnmente entendido por algún experto en la técnica a la cual pertenece esta invención. Los términos "primero", "segundo" y "similares", como se utiliza aquí, no denotan ningún orden, cantidad, o importancia, sino que más bien se utilizan para distinguir un elemento de otro. También, los términos "un" y "una(o)" no denotan una limitación de cantidad, sino que más bien denotan la presencia de por lo menos un artículo referenciado, y los términos "frontal", "trasero", "inferior", y/o "superior", a menos que se indique otra cosa, son meramente utilizados por conveniencia de descripción, y no se limitan a ninguna otra posición u orientación espacial. Si se describen rangos, los puntos finales de todos los rangos dirigidos al mismo componente o propiedad son inclusivos e independientemente combinables (por ejemplo, rangos de "hasta aproximadamente 25% en peso, o, más específicamente, alrededor de 5% en peso a
aproximadamente 20 % en peso", es inclusivo de los puntos finales y todos los valores intermedios de los rangos de "aproximadamente 5 % en peso a aproximadamente 25 % en peso", etc.). El modificador "aproximadamente" usado con relación a una cantidad es inclusivo del valor establecido y tiene el significado dictado por el contexto (por ejemplo, incluye el grado de error asociado con la medición de la cantidad particular). El sufijo "(s)", como se utiliza aquí, pretende incluir tanto el singular como el plural del término que se modifica, incluyendo así uno o más de ese término (por ejemplo, el colorante(s) incluye uno o más colorantes). Además, como se utiliza aquí, "combinación" es inclusivo de mezclas, preparaciones, aleaciones, productos de reacción, y similares. Haciendo referencia ahora a la Figura 1 , ésta es una representación esquemática de un dispositivo de combustión 100 encendido con combustible fósil, tal como el que se usa en un hervidor u horno encendido con combustible fósil. El dispositivo de combustión 100 incluye una zona de combustión 122 y una zona de consunción 124. El dispositivo de combustión 100 también puede incluir una zona de requemado 126 entre las zonas de combustión y requemado. La zona de combustión 122 está equipada con al menos uno, y preferiblemente una pluralidad de quemadores principales 128, los cuales con suministrados con un combustible principal, tal como, pero no limitándose a, combustibles fósiles, a través de una entrada de combustible 13, y con aire a través de por lo menos una entrada
de aire 11 y 12. El combustible principal, el cual puede comprender carbón adecuado en cualquier forma, incluyendo carbón pulverizado, de la tolva de carbón 1 , es quemado en la zona de combustible 122 para formar un gas de la combustible que fluye hacia arriba desde la zona de combustible 122 hacia la zona de consunción 124, una dirección denominada aquí como una dirección "corriente abajo". Corriente abajo de la zona de requemado 126, el aire secundario es inyectado a través de un inyector de aire secundario o de OFA 10 hacia la zona de consunción 124. El gas de la combustible pasa a través de una serie de cambiadores térmicos 140, en donde el retiro de calor en 24 puede ser suministrado a una turbina de vapor. Además, es posible que cualesquiera partículas sólidas puedan ser removidas a través de un dispositivo de control de partículas (no mostrado), tal como un precipitador electrostático ("ESP") o cámara de sacos para filtrar gases y recuperar óxidos metálicos en suspensión. Los gases de la combustible salen del hervidor u horno en la salida 42. Cuando la presión de la fuente del aire secundario es demasiado baja, por lo menos un ventilador(es) de refuerzo de alta presión 50 puede ser usado para suministrar aire a alta presión a por lo menos uno de los inyectores de OFA, los quemadores 128, y todo el dispositivo de combustión 100, como se modaliza por la invención. Al menos un ventilador(es) de refuerzo de alta presión 50, el cual, como se modaliza por la invención, puede ser provisto en la forma de inyectores de aire secundario reforzador que pueden suplementar al
OFA, ya sea uno de aire calentado/caliente o ambiental/frío o sus combinaciones, suministrado al dispositivo de combustión 100. Alternativamente, el ventilador(es) de refuerzo de alta presión 50 separado(s) suministra aire a alta presión a cada uno de los componentes del dispositivo de combustión, según modalizado por la invención. El aire secundario es una tecnología bien conocida que se utiliza para reducir las emisiones de NOx en hornos de utilidad e industriales. El aire secundario reforzado híbrido combina dos sistemas de suministro de aire distintos, aire reforzado y aire de combustión secundario, para lograr una penetración y mezclado efectivos del aire secundario con el gas de combustión. Una porción del aire secundario (OFA) es suministrada a los inyectores de OFA ya sea como aire a alta presión "frío" o "caliente" desde los ventiladores reforzadores (BOFA). El aire secundario restante es suministrado a los inyectores de OFA desde el sistema de aire secundario de combustión "caliente" que sale (HOFA) (por ejemplo, canalización o caja del viento de quemador). Este aspecto es una alternativa de bajo costo a un sistema de aire secundario reforzado independiente, tradicional. El aire secundario es una tecnología bien conocida que se utiliza para reducir las emisiones de NOx en hornos de utilidad e industriales. Los sistemas OFA tradicionales desvían el aire secundario de combustión desde una caja del viento de quemador hacia los inyectores de OFA. La presión de suministro de OFA en la
caja del viento de quemador o canalización de aire secundario, determina la presión dinámica máxima que estará disponible en la salida del inyector de OFA. Una presión dinámica de OFA suficiente asegura una penetración y mezclado efectivos del aire secundario con el gas de combustión. En algunos casos, la presión dinámica disponible al inyector de OFA no es lo suficientemente alta para lograr una penetración y mezclado requeridos del aire y gas de combustión. Si esto sucede, la provisión de los BOFA puede ayudar a reducir las emisiones de NOx. Una característica de BOFA junto con OFA es que tanto el aire a alta presión reforzado (BOFA) como el aire de combustión secundario de baja presión, tal como OFA, logran una penetración de chorro de aire y mezclado en un sistema de aire secundario. Una buena penetración de chorro y mezclado en estos sistemas conducen a una efectiva reducción de NOx y ayudan a reducir las emisiones de CO. Hasta ahora, otros sistemas de OFA suministran tanto aire de combustión secundario independiente (OFA tradicional) como BOFA independiente para penetración de chorro y mezclado. La efectividad del mezclado en sistemas de OFA tradicionales es algunas veces limitada por una presión baja de suministro. Los sistemas de BOFA independientes son muy costosos y por lo regular ocasionan problemas de erosión en las paredes de tubos de agua y tubos de recalentador. El BOFA híbrido será utilizado para reducir las emisiones de NOx en hervidores de utilidad cuando la presión de suministro de aire
es demasiado baja para lograr el mezclado requerido entre el aire y el gas de combustión. El BOFA híbrido es un producto de bajo costo alternativo al BOFA independiente. El OFA reforzado híbrido combina tanto el aire secundario reforzado (BOFA) y el OFA de aire secundario, que puede utilizar solamente aire de combustión secundario precalentado. Algunas características de este sistema comprenden, pero no se limitan a: (A) se puede suministrar aire secundario ambiental frío o precalentado, caliente a una presión de refuerzo mayor que la normal, para inducir el aire a alta temperatura, a baja presión, y proporcionar un nivel deseado de penetración en, y mezclado con los gases del hervidor. (B) el refuerzo de una porción del OFA conduce a ventiladores más pequeños (para OFA y/o BOFA) con un peso reducido, requerimientos de energía reducidos y costo capital más bajo. (C) un tamaño y peso reducidos para el ventilador permite que un ventilador sea montado en una plataforma cerca de la elevación del inyector de OFA, en donde hay un amplio espacio, y en donde las corridas de ducto de aire a los puertos de OFA son relativamente simples. Los ventiladores más pequeños pueden ser más fácilmente ubicados y aislados sólo con un mínimo refuerzo adicional. (D) la provisión de una porción de aire secundario a través de ventiladores separados reducirá el trabajo requerido de los
ventiladores y se espera que facilite las limitaciones de ventilador existentes. BOFA debe permitir una completa operación de carga a niveles más altos de 02 en exceso que los actualmente posibles, lo cual puede proporcionar una mayor generación de energía en períodos pico, con control mejorado de emisiones de inclusiones de productos finamente divididos de la combustión y CO. Un método para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) formado durante la combustión, también está dentro del alcance de la invención. El método comprende proporcionar un combustible fósil a un dispositivo de combustión 100. El dispositivo de combustión 100, como se observo anteriormente y como se modaliza por la invención, incluye una pluralidad de quemadores principales 28 suministrados con el combustible fósil y aire 12, para quemar el combustible fósil y aire en una zona de combustión 122. El quemado produce gases de la combustión que fluyen desde la zona de combustión 122 hacia la zona de consunción 124. El aire secundario es provisto al dispositivo de combustión 100 a través de por lo menos un inyector de aire secundario 9 a una primer presión. Además, como se modaliza por la invención, el aire secundario reforzador es suministrado a través de al menos un inyector de aire secundario reforzador 9 a una segunda presión. El aire secundario de al menos un inyector de aire secundario 10 está a una primera presión y está a una presión más baja que la segunda presión de al menos un inyector de aire secundario reforzador 9. El método, según modalizado por la invención, también
comprende por lo menos uno de suministrar aire secundario a la zona de consunción desde al menos un inyector de aire secundario, suministrar aire secundario a una segunda presión a la zona de consunción desde al menos un inyector de aire secundario reforzador, y suministrar aire secundario a una segunda presión a la pluralidad de quemadores principales desde al menos un inyector de aire secundario reforzador. Además, el método, según modalizado por la invención, también puede suministrar aire secundario a una segunda presión a la zona de consunción y la pluralidad de quemadores principales desde al menos un inyector de aire secundario reforzador, suministrar aire secundario a una segunda presión ya sea como aire calentado y aire ambiental o combinaciones de los mismos. Un método, como se modaliza por la invención, reduce las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) formado durante la combustión en parte logrando una penetración de chorro de aire en el dispositivo de combustión y mezclado en el dispositivo de combustión para reducir emisiones de NOx. La ventaja competitiva que BOFA híbrido tiene con relación a BOFA independiente es principalmente el uso de un ventilador de refuerzo más pequeño que conduce a: un peso reducido de ventilador; requerimientos reducidos de energía de ventilador; montaje del ventilador cerca de la elevación del inyector OFA conduciendo a simples corridas de ducto hacia los inyectores de
OFA; refuerzo reducido de estructura de acero; y costo capital más bajo. Un aspecto más de la invención es una caída incrementada de presión de aire secundario de combustión en la ubicación de suministro de OFA. Esta caída se logra removiendo una excesiva resistencia de flujo en el circuito de flujo de aire u operaciones de unidad de sistema de derivación, tales como el calentador de aire. Aunque la invención ha sido descrita en términos de varias modalidades específicas, aquellos expertos en la técnica reconocerán que la invención puede ser practicada con modificación dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones.