MX2011001740A - Proceso y aparato para la combustion de combustible liquido. - Google Patents

Proceso y aparato para la combustion de combustible liquido.

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Matthew James Watson
Xiaoyi He
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Abstract

Se describe un aparato para la combustión de un combustible líquido, tal como un atomizador o quemador, y un método asociado que usa el aparato para quemar un combustible líquido atomizado El aparato para la combustión tiene un conducto exterior, un conducto interior y una punta de rocío La punta de rocío tiene una cámara de mezclado para recibir un combustible líquido y un gas atomizador, y un orificio para descargar la mezcla de combustible líquido y gas atomizador como un combustible líquido atomizado El conducto interior tiene aletas externas en donde por lo menos algunas de las aletas externas hacen contacto con la superficie interior de la punta de rocío.

Description

PROCESO Y APARATO PARA LA COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLE LÍQUIDO ANTECEDENTES El uso de boquillas atomizadoras es conocido en la técnica de combustión como se ilustra en las patentes norteamericanas Nos. 5,547,368, 5,567,141, 5,393,220, 5,617,997 y 7,500,849 incorporadas en la presente a manera de referencia en sus totalidades. Como se describe en la patente norteamericana No. 5,547,368, las boquillas atomizadoras se usan en hornos de fusión industriales para tales productos diversos como metales, vidrio, materiales de cerámica y los similares .
Existen muchas formas para atomizar combustibles líquidos en aplicaciones de combustión. Las boquillas se pueden agrupar en dos grupos principales': a) Atomizadores de presión, donde la presión del combustible líquido relativamente alta se usa para conducir el flujo a través de un orificio pequeño, el cual dispersa el líquido en gotitas. Estos atomizadores son relativamente simples. Sin embargo, su relación de reducción es reducida requiriendo cambios de boquilla para los sistemas que tienen amplias variaciones en los requerimientos de flujo. b) Atomizadores de dos fluidos, donde un gas atomizador se usa para ayudar con la atomización del líquido.
Elv gas atomizador se introduce usualmente a presiones más altas, mientras que el combustible liquido se puede suministrar a presiones más bajas. Este grupo de boquillas se puede segmentar adicionalmente en: 1) Mezclado externo, donde el gas atomizador de alta velocidad se encuentra con el combustible liquido de velocidad más baja dando por resultado externamente la dispersión del chorro liquido, es decir atomización. Estas boquillas son usualmente muy resistentes, sin embargo, la forma de la flama y la calidad de atomización son frecuentemente sub-óptima, especialmente en aplicaciones de quemador de oxi-combustible . Las flamas son cortas, firmes, conduciendo a un suministro de calor no uniforme y sobrecalentamiento local. 2) Mezclado interno o emulsión, donde el gas atomizador y el combustible liquido se mezclan dentro de una cámara interna, y la mezcla de dos fases luego se inyecta a través de un orificio de salida causando la dispersión de liquido debido a la despresurización de la fase gaseosa inter- mezclada. Estas boquillas producen una atomización excelente y controlable, excelente geometría de flama y transferencia de calor uniforme .
Mientras que los atomizadores de mezclado interno se usan ampliamente en la combustión de aire-combustible, su uso en los quemadores de oxi-combustible se ha limitado a las preocupaciones de enfriamiento y a los posibles problemas del retorno de flama. Con los quemadores enfriados no con agua, el oxidante primario enfría la boquilla atomizadora. Para los quemadores de aire-combustible en los cuales el oxidante primario es aire, el enfriamiento se logra debido al gran volumen de aire (el oxidante primario) que es necesario y proporcionado para una combustión completa. Sin embargo, para los quemadores de oxi-combustible, los cuales son quemadores que usan un oxidante primario con una concentración de 02 más alta que el aire, el enfriamiento de la boquilla atomizadora por la vía del volumen reducido del oxidante primario puede ser insatisfactorio. Por ejemplo, en caso de 100 por ciento de oxidante O2, si se proporciona la cantidad requerida estequiométrica de oxígeno para la combustión, habrá aproximadamente 80 por ciento menos volumen del oxidante primario disponible para enfriar la boquilla atomizadora que en los quemadores de aire-combustible. Además, los quemadores de oxi-combustible tienen temperaturas de flama mucho más altas. Por estas razones las boquillas atomizadoras en los quemadores de oxi-combustible se esperan que funcionen a temperaturas mucho más altas que en los quemadores de aire-combustible .
Las temperaturas de la boquilla de mezclado interno más altas conducen a varios problemas potenciales: 1) Las temperaturas elevadas de la boquilla pueden causar degradación química de los combustibles líquidos antes de su introducción en el horno. Más específicamente, para los aceites combustibles, tal como aceites pesados con alto contenido de azufre, y aceites con altos valores de residuos de carbono, por ejemplo, como se indica por un alto número de Residuos de Carbono Conradson (CCR) , tal como se encuentra comúnmente en los aceites combustibles con altos niveles de asfáltenos, las altas temperaturas de la boquilla pueden conducir a la deposición de coque interna y el taponamiento de la boquilla. La deposición de coque y el taponamiento de la boquilla requieren mantenimiento tal como limpieza de la boquilla. La deposición de coque y el taponamiento de la boquilla es una preocupación sin considerar el gas atomizador usado. 2) Adicionalmente, si el oxígeno se usa con el gas atomizador, las temperaturas elevadas de la boquilla y el diseño inapropiado de la boquilla pueden conducir al retorno de la flama y a una falla catastrófica de la boquilla.
La industria desea un quemador caldeado con combustible líquido y un atomizador de combustible líquido adecuado para el uso en hornos caldeados con oxi-combustible .
La industria desea un quemador caldeado con combustible líquido y un atomizador de combustible líquido que requiere limpieza y/o mantenimiento poco frecuente.
La industria desea un quemador cargado con combustible y un atomizador de combustible líquido que sea fácil de limpiar.
BREVE DESCRIPCIÓN La presente invención se relaciona a un aparato para la combustión de un combustible líquido. El aparato para la combustión puede ser un atomizador de combustible líquido. El atomizador de combustible líquido comprende (a) un conducto exterior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de gas atomizador y una porción de extremo de descarga de gas atomizador, (b) un conducto interior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de combustible líquido y una porción de extremo de descarga de combustible líquido, el conducto interior está dispuesto dentro del conducto exterior y forma un pasaje de gas atomizador entre el conducto exterior y el conducto interior, el pasaje de gas atomizador se extiende desde la porción de extremo de entrada del gas atomizador hasta la porción de extremo de descarga de gas atomizador, y (c) una punta de rocío que tiene una función de extremo de entrada y una porción de extremo de descarga, la porción de extremo de entrada de la punta de rocío se une a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior. La punta de rocío tiene (i) una cámara de mezclado dispuesta para recibir un combustible líquido de la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior y dispuesta para recibir un gas atomizador de la porción de extremo de descarga de gas atomizador del pasaje de gas atomizador, y (ii) un orificio en la porción de extremo de salida de la punta de rocío, es orificio dispuesto para recibir el combustible líquido y el gas atomizador de la cámara de mezclado y para descargar el combustible líquido y el gas atomizador de la punta de rocío como un combustible líquido atomizado. El conducto interior tiene una pluralidad de aletas externas en la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior en donde por lo menos algunas de la pluralidad de de aletas externas hacen contacto con una superficie interior de la porción extremo de entrada de la punta de rocío.
El orificio del atomizador de combustible líquido puede ser un orificio ranurado alargado.
La pluralidad de aletas externas puede tener un ahusamiento externo convergente el cual converge en la dirección de la porción de extremo de descarga de combustible liquido. La punta de rocío puede tener un ahusamiento interno convergente en la porción de extremo de entrada el cual converge en la dirección de la porción de extremo de salida, el ahusamiento interno generalmente complementario don el ahusamiento externo de la pluralidad de las aletas externas.
La pluralidad de aletas externas pueden ser aletas longitudinales .
La pluralidad de aletas externas pueden ser aletas longitudinales y la relación de longitud de la pluralidad de las aletas externas al diámetro exterior del conducto exterior puede ser de 0.1 a 3.0.
La pluralidad de aletas externas pueden ser aletas espirales .
La pluralidad de aletas' externas pueden numerarse de 3 a 20 o de 6 a 10.
El conducto exterior puede tener una relación de espesor de la pared del conducto al diámetro exterior del conducto de 0.1 a 0.2.
El aparato puede tener una relación de diámetro hidráulico de pasaje de gas atomizador al diámetro exterior del conducto exterior de 0.05 a 0.25.
El aparato puede tener una relación de espesor de la pared del conducto interior a diámetro exterior de conducto interior de 0.2 a 0.7 en una sección transversal de conducto interior que tiene la pluralidad de aletas externas.
NxS El aparato puede tener 0.1= 0.9- donde N es la P cantidad de aletas externas de la pluralidad de aletas externas, S es la longitud de arco medio de las aletas externas de la pluralidad de aletas externas, y P es el perímetro interior del conducto exterior en la sección transversal del conducto exterior adyacente a la pluralidad de aletas externas.
La porción de extremo de entrada de la punta de rocío se puede unir a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior por una unión de soldadura .
La unión de soldadura puede tener un espesor de mayor que 25% a 100% del espesor de la pared del conducto exterior.
La cámara de mezclado puede tener un ahusamiento interno convergente próximo al orificio el cual converge en la dirección del orificio.
El aparato para la combustión puede ser un quemador de oxi-combustible . El quemador comprende (I) una primera sección del conducto de gas oxidante que define un primer pasaje de gas oxidante, el primer pasaje de gas oxidante tiene una primera porción de extremo de entrada de pasaje de gas oxidante y una primera porción de extremo de descarga del pasaje de gas oxidante para descargar una primera corriente de gas oxidante, y (II) un atomizador de combustible liquido dispuesto en relación espaciada al primer conducto de gas oxidante con por lo menos una parte del atomizador de combustible liquido dispuesto dentro del pasaje de gas oxidante. El atomizador de combustible liquido comprende (a) un conducto exterior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de gas atomizador y una porción de extremo de descarga de gas atomizador, (b) un conducto interior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de combustible liquido y una porción de extremo de descarga de combustible liquido, el conducto interior está dispuesto dentro del conducto exterior y forma un pasaje de gas atomizador entre el conducto exterior y el conducto interior, el pasaje de gas atomizador se extiende desde la porción de extremo de entrada de gas atomizador hasta la porción de extremo de descarga de gas atomizador, y (c) una punta de roció que tiene una porción de extremo de entrada y una porción de extremo de descarga, la porción de extremo de entrada de la punta de rocío se une a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior. La punta de rocío tiene (i) una cámara de mezclado dispuesta para recibir un combustible líquido de la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior y dispuesta para recibir un gas atomizador de la porción de extremo de descarga de gas atomizador del pasaje de gas atomizador, y (ii) un orificio en la porción de extremo de salida de la punta de rocío, el orificio que está dispuesto para recibir el combustible líquido y el gas atomizador en la cámara de mezclado y para descargar el combustible líquido y el gas atomizador de la punta de rocío como un combustible líquido atomizado dentro de la primera corriente de gas oxidante. El conducto interior tiene una pluralidad de aletas externas en la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior en donde por lo menos algunas de la pluralidad de las aletas externas hacen contacto con una superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de rocío.
El orificio puede ser un orificio ranurado alargado .
La pluralidad de aletas externas pueden tener un ahusamiento externo convergente el cual converge en la dirección de la porción de extremo de descarga de combustible líquido y en donde la punta de rocío tiene un ahusamiento interno convergente en la porción de extremo de entrada el cual converge en la dirección de la porción de extremo de salida. El ahusamiento interno es generalmente complementario al ahusamiento externo de la pluralidad de aletas externas.
La pluralidad de aletas externas pueden ser aletas longitudinales.
El aparato puede tener una relación de longitud de pluralidad de aletas externas al diámetro exterior del conducto exterior de 01.1 a 3.0.
La pluralidad de aletas externas pueden ser aletas espirales.
La pluralidad de aletas externas puede numerarse de 3 a 20 o de 6 a 10.
El conducto exterior puede tener una relación de espesor de la pared del conducto al diámetro exterior del conducto de 0.1 a 0.2.
El aparato puede tener una relación de diámetro hidráulico de pasaje de gas atomizador al diámetro exterior del conducto exterior de 0.05 a 0.25.
El aparato puede tener una relación de espesor de la pared del conducto interior a diámetro exterior de conducto interior de 0.2 a 0.7 en una sección transversal de conducto interior que tiene la pluralidad de aletas externas.
La porción de extremo de entrada de la punta de roció se puede unir a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior por una unión de soldadura.
La unión de soldadura puede tener un espesor de 50% a 100% del espesor de la pared del conducto exterior.
La cámara de mezclado puede tener un ahusamiento interno convergente adyacente al orificio el cual converge en la dirección del orificio.
El quemador puede comprender además una secunda sección del conducto de gas oxidante que define un segundo pasaje de gas oxidante próximo al primer pasaje de gas oxidante, el segundo pasaje de gas oxidante para descargar una segunda corriente de gas oxidante. El segundo pasaje de gas oxidante se puede localizar arriba o abajo del primer pasaje de gas oxidante.
El primer pasaje de gas oxidante puede tener una forma de sección transversal con una anchura y altura de dimensiones diferentes, y en donde el primer pasaje de gas oxidante tiene una relación de anchura de altura de 5 a 30, y en donde el segundo pasaje de gas oxidante tiene una forma de sección transversal con una anchura y altura de diferentes dimensiones, y en donde el segundo pasaje de gas oxidante tiene una relación de anchura a altura de 5 a 30.
El quemador puede · comprender adicionalmente un múltiple de entrada de oxidante en comunicación de flujo fluido con el primer pasaje de gas oxidante y el segundo pasaje de gas oxidante, y una válvula de etapas en comunicación de flujo fluido corriente abajo con el múltiple de entrada de oxidante y en comunicación de flujo fluido corriente arriba con el primer y segundo pasaje de gas oxidante para la regulación de la distribución de flujo entre la primera y segunda corrientes de gas oxidante al primero y segundo pasajes de gas oxidante, respectivamente.
El quemador puede comprender además un pleno de entrada de oxidante en comunicación de flujo fluido corriente arriba del primera pasaje de gas oxidante, por lo menos una porción del pleno de entrada de oxidante está espaciado a aproximadamente por lo menos una porción del atomizador de combustible liquido, y un difusor de oxidante localizado en comunicación de flujo fluido corriente arriba del pleno de entrada del oxidante.
La presente invención también se relaciona a un método para quemar un combustible liquido. El método comprende (A) proporcionar un quemador donde el quemador comprende (I) una primera sección del conducto de gas oxidante que define un pasaje de gas oxidante, el primer pasaje de gas oxidante que tiene una porción de extremo de entrada del primer pasaje de gas oxidante y una porción de extremo de descarga del primer pasaje de gas oxidante para descargar una primera corriente de gas oxidante, y (II) un atomizador de combustible liquido dispuesto dentro del pasaje de gas oxidante. El atomizador de combustible liquido comprende (a) un conducto exterior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de gas atomizador y una porción de extremo de descarga de gas atomizador, (b) un conducto interior de forma generalmente cilindrica y tiene una porción de extremo de entrada de combustible líquido y una porción de extremo de descarga de combustible liquido, el conducto interior está dispuesto dentro del conducto exterior y forma un pasaje de gas atomizador entre el conducto exterior y el conducto interior, el pasaje de gas atomizador se extiende desde la porción de extremo de entrada de gas atomizador a la porción de extremo de descarga de gas atomizador, y (c) una punta de rocío que tiene una porción de extremo de entrada y una porción de extremo de descarga, la porción de extremo de entrada de la punta de rocío se une a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior. La punta de rocío tiene (i) una cámara de mezclado dispuesta para recibir un combustible líquido de la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior y dispuesta para recibir un gas atomizador de la porción de extremo de descarga de gas atomizador del pasaje de gas atomizador, y (ii) un orificio en la porción de extremo de salida de la punta de rocío, el orificio está dispuesto para recibir el combustible líquido y el gas atomizador de la cámara de mezclado y para descargar el combustible líquido y el gas atomizador de la punta de rocío como un combustible líquido atomizado dentro de la primera corriente de gas oxidante. El conducto interior tiene una pluralidad de aletas externas en la porción de extremo de descarga del combustible líquido del conducto interior en donde por lo menos algunas de la pluralidad de aletas externas hacen contacto con una superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de rocío. El método comprende además (B) hacer pasar un primer gas oxidante a través del primer pasaje de gas oxidante descargando en consecuencia la primera corriente de gas oxidante de la porción de extremo de descarga del primer pasaje de gas oxidante, (C) hacer pasar el combustible líquido a través del conducto interior y dentro de la cámara de mezclado y hacer pasar el gas atomizador a través del pasaje de gas atomizador y dentro de la cámara de mezclado formando en consecuencia una mezcla del combustible líquido del gas atomizador, (D) hacer pasar la mezcla del combustible líquido y el gas atomizador a través del orificio descargando en consecuencia la mezcla del combustible líquido y el gas atomizador en la cámara de mezclado como un combustible líquido atomizado dentro de la primera corriente de gas oxidante, y (E) quemar por lo menos una porción del combustible líquido atomizado con por lo menos una porción de la primera corriente de gas oxidante formando en consecuencia una flama.
El quemador usado en el método puede comprender además una segunda sección del conducto de gas oxidante que define un segundo pasaje de gas oxidante. El segundo pasaje de gas oxidante puede estar próximo y arriba o abajo del primer pasaje de gas oxidante. El segundo pasaje de gas oxidante es para descargar una segunda corriente de gas oxidante. El método puede comprender además hacer pasar la segunda corriente de gas oxidante a través del segundo pasaje de gas oxidante descargando en consecuencia la segunda corriente de gas oxidante abajo de la flama, y quemar por lo menos otra porción del combustible liquido con por lo menos una porción de la segunda corriente de gas oxidante.
En el método, la mezcla del combustible liquido y gas atomizador puede tener un tiempo de residencia medio en la cámara de mezclado de 70 a 3200 microsegundos, de 160 a 2400 microsegundos o de 250 a 1600 microsegundos.
En el método, la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador se puede descargar desde la punta de roció con una velocidad, Vi, y el primer gas oxidante se puede descargar de la primera porción de extremo de descarga del conducto de gas oxidante con una velocidad, v2, en donde 1<-½-<100.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS DIVERSAS VISTAS DE LOS DIBUJOS La FIG. 1 es una vista de sección transversal de un atomizador de combustible liquido con aletas externas sobre el conducto interior donde las aletas externas están ahusadas sobre una porción de las aletas externas.
La FIG. 2 es una vista de sección transversal de un atomizador de combustible liquido con aletas externas sobre el conducto interior donde las aletas externas están ahusadas sobre la longitud completa de las aletas externas.
La FIG. 3 es una vista de sección transversal de un atomizador de combustible líquido con aletas externas sobre el conducto interior donde las aletas externas no están ahusadas .
'La FIG. 4 muestra una vista en perspectiva de un quemador que incorpora el atomizador de combustible líquido.
DESCRIPCIÓN DETALLADA Los artículos "un" y "uno" como se usan en la presente proponen uno o más cuando se aplican a cualquier característica en las modalidades de la presente invención descritas en la especificación y las reivindicaciones. El uso de "un" y "uno" no limita el significado a una característica individual a menos que tal límite se establezca específicamente. El artículo "el" que precede sustantivos singulares o plurales o frases nominales indica una característica especificada particular o características especificadas particulares y pueden tener una connotación simular o. plural dependiendo del contexto en el cual se usa. El adjetivo "cualquiera" propone uno, algunos, o todos indiscriminadamente de cualquiera que sea la cantidad.
La frase "por lo menos una porción" propone "una porción o todo".
En un aspecto, la presente descripción se relaciona a un aparato para la combustión de un combustible líquido. El aparato puede ser un atomizador de combustible líquido adecuado para el uso en un quemador.
Con referencia a la FIG. 1 , el atomizador de combustible liquido 1 comprende un conducto exterior 10 de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de gas atomizador 12 y una porción de extremo de descarga de gas atomizador 14 . El atomizador de combustible liquido 1 también comprende un conducto interior 20 de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de combustible liquido 22 y una porción de extremo de descarga de combustible liquido 24 . El conducto interior 20 está dispuesto dentro del conducto exterior 10 y forma un pasaje de gas atomizador 16 entre el conducto exterior 10 y el conducto interior 20 . El pasaje de gas atomizador 16 se extiende desde la porción de extremo de entrada de gas atomizador 12 a la porción de extremo de descarga de gas atomizador 14 . Puesto que el articulo "uno" propone uno o más cuando se aplica a la característica del pasaje, uno o más pasajes se pueden formar entre el conducto exterior 10 y el conducto interior 20 . Adicionalmente, el pasaje 16 se puede dividir y/o se divide y se recombina conforme se extiende desde la porción de extremo de gas atomizador 12 y la porción de extremo de descarga de gas atomizador 14 , pero no obstante proporciona una ruta de flujo continuo desde la porción de extremo de entrada de gas atomizador 12 hasta la porción de extremo de descarga de gas atomizador.
La relación del espesor de la pared de" conducto al diámetro exterior del conducto exterior 10 puede ser de 0.034 a 0.35 o de 0.1 a 0.2, o de 0.14 a 0.18. El beneficio de la relación del espesor de la pared de conducto al diámetro exterior del conducto exterior de 0.1 a 0.2 cuando se compara con relaciones más pequeñas es de dos veces. Primero, proporciona un área de sección transversal incrementada para el calor que se conduce lejos del punto caliente localizado sobre la superficie exterior del atomizador de combustible liquido 1, el cual está localizado típicamente en algún lugar entre la porción de extremo de descarga 34 de la punta de rocío 30 y tres diámetros del conducto exterior 10 corriente arriba. En segundo lugar, permite una unión más gruesa a través del espesor de la pared del conducto exterior 10 el cual proporciona un área de sección transversal incrementada para el calor que se conduce lejos del punto caliente localizado sobre la superficie exterior del atomizador de combustible líquido 1.
El conducto exterior 10 puede tener un primer eje longitudinal y el conducto interior 20 puede tener un segundo eje longitudinal en donde el primer eje longitudinal y el segundo eje longitudinal son sustancialmente coaxiales. Sustancialmente coaxial propone que los ejes sean coincidentes, paralelos y dentro del 5% del diámetro interior del conducto interior de ser coincidentes, o ligeramente sesgados donde los ejes están paralelos dentro de 2 ° y dentro de 5% del diámetro interior del conducto interior en la porción de extremo de descarga de gas atomizador 14 y la porción de extremo de descarga de combustible liquido 24.
El conducto interior 20 tiene un diámetro interior efectivo medido sobre el interior del conducto 20 cercano o en el extremo exterior del conducto 20 que está adyacente a la cámara de mezclado 36. En el caso de una sección transversal de conducto circular, el diámetro efectivo es el mismo como el diámetro. En caso de unos conductos ligeramente no esféricos o no circulares, se puede calcular un diámetro efectivo, el diámetro efectivo que tiene la misma área de sección transversal como el área de sección transversal del conducto" no circular. El diámetro interior efectivo del conducto interior 20 puede ser de 1.27 mm a 12.7 mm.
El atomizador de combustible liquido 1 también comprende una punta de rocío 30 que tiene una porción de extremo de entrada 32 y una porción de extremo de descarga 34. La porción de extremo de entrada 32 de la punta de rocío 30 se une a la porción de ^extremo de descarga de gas atomizador 14 del conducto exterior 10 por una unión 18. La unión 18 puede ser una unión de soldadura, unión de ajusta a presión, unión roscada u otra unión adecuada conocida en la técnica. La unión 18 es preferiblemente una unión de soldadura. Una unión de soldadura puede proporcionar mejor conducción de calor para enfriar la punta de roció. La unión de soldadura puede tener un espesor de mayor que 50% a 100% del espesor de la pared del conducto exterior 10. Puede ser deseable hacer las uniones de soldadura tan gruesas como sean prácticas. Las uniones de soldadura grandes requieren que el espesor de uno del conducto exterior y la punta de rocío en la región de solapamiento sean delgados y por lo tanto más propensos a la deformación durante la soldadura, lo cual no es deseable.
El conducto interior se puede conectar de manera removible al conducto exterior en la porción de extremo de entrada por una conexión roscada o de otra adecuada (no mostrada) que permita la remoción del conducto interior del atomizador de combustible líquido para la limpieza.
La punta de rocío 30 tiene una cámara de mezclado 36 dispuesta para recibir un combustible líquido de la porción de extremo de descarga de combustible líquido 24 del conducto interior 20 y dispuesta para recibir un gas atomizador del pasaje de gas atomizador 16. La cámara de mezclado 36 está intermedia a la porción de extremo de entrada 32 y a la porción de extremo de descarga 34. La punta de rocío 30 también tiene un orificio 38 en la porción de extremo de descarga 34 de la punta de rocío 30. El orificio 38 está dispuesto para recibir el combustible líquido y el gas atomizador de la cámara de mezclado 36 y para descargar el combustible liquido y el gas atomizador de la punta de roció 30 como un combustible liquido atomizado.
La cámara de mezclado 36 tiene un diámetro y una longitud efectivos. La longitud de la cámara de mezclado se mide desde el extremo exterior del conducto interior 20 hasta el lado de la cámara del orificio de la cámara de mezclado 38. Aunque la cámara de mezclado 36 se muestra como cilindrica, no se limita a una forma cilindrica y/o sección transversal circular. En caso de que la sección transversal de la cámara de mezclado sea circular, el diámetro efectivo es el mismo como el diámetro. En caso de que la sección transversal de la cámara de mezclado no sea circular, se puede calcular un diámetro efectivo, el diámetro efectivo que tiene la misma área de sección transversal. La cámara de mezclado 36 tiene una longitud que es 2 veces o menor que 2 veces del diámetro inferior efectivo del conducto interior 20. La longitud de la cámara de mezclado puede ser de 0.5 a 2 veces mayor que el diámetro interior efectivo del conducto interior 20 para el mezclado suficiente del gas atomizador y el combustible liquido antes de ser descargados a través del orificio que forma la flama 38. Alternativamente, la longitud de la cámara de mezclado puede ser de 1 a 2 veces, o aproximadamente 1.7 veces el diámetro interior efectivo del conducto interior 20. Para las velocidades de encendido de diseño, el combustible líquido y el gas atomizador deben permanecer en la cámara de mezclado durante un tiempo de residencia medio de 70 a 3200 microsegundos, de 160 a 2400 microsegundos o de 250 a 1600 microsegundos. Cuando se encuentran el combustible liquido y el gas atomizador se proporciona una oportunidad para mezclarse en la cámara de emulsión, la acumulación de coque se disminuye y se reduce el mantenimiento para limpiar la boquilla.
Como se muestra en la FIG. 1, la cámara de mezclado puede tener un ahusamiento interno convergente 37 el cual convergente 37 el cual converge en la dirección del orificio 38. Un ahusamiento interno convergente proporciona un beneficio de limpieza más fácil. Una herramienta de limpieza formada como el extremo de una broca conforme complementaria al ahusamiento interno convergente se puede usar para limpiar la punta de roció. Alternativamente, la cámara de mezclado puede tener una porción ahusada localizada hacia el orificio, la cual es de forma esférica, o de forma elíptica, o la similares se pueden extender sobre más o menos la longitud de la cámara de mezclado que como se muestra. Aunque la cámara de emulsión se muestra con una sección transversal constante sobre una mayoría de la cámara de mezclado en la FIG. 1, la cámara de mezclado no se limita a una sección transversal constante. En modalidades alternativas, la cámara de mezclado se puede formar para reducir la sección transversal sobre una mayoría de todo de su longitud de la entrada de combustible al orificio, proporcionando en consecuencia una cámara de mezclado ahusada.
El conducto interior 20 tiene una pluralidad de aletas externas 26 en la porción de extremo de descarga de combustible liquido 24 del conducto interior 20 en donde por lo menos algunas de la pluralidad de aletas externas 26 hacen contacto con una superficie interior 35 de la porción de extremo de entrada 32 de la punta de roció 30 . Todas de la pluralidad de las aletas externas 26 pueden hacer contacto con, la superficie interior 25 de la porción de extremo de entrada 32 de la punta de roció 30 . Las aletas externas son protuberancias hacia afuera las cuales definen ranuras sobre la superficie exterior del conducto interior 20 . Las aletas externas 26 hacen contacto con la superficie interior de la punta de roció que tiene el beneficio de proporcionar una ruta de conducción de calor adicional de la punta de rocío y ajusta el espacio prescrito entre la porción de extremo de descarga de combustible líquido 22 del conducto interior 20 y la porción de extremo de entrada 32 de la punta de rocío 30 para el pasaje del gas atomizador 16. El espacio se ajusta por las aletas externas y no es ajustable, excepto al modificar las aletas externas.
La pluralidad de aletas externas 26 se puede numerar de 3 a 20 o de 6 a 10. La pluralidad de aletas externas 26 pueden ser aletas longitudinales, donde las aletas son rectas y tiene un eje el cual está paralelo al eje longitudinal del conducto interior 20. Alternativamente, la pluralidad de aletas externas 26 pueden ser esféricas o helicoidales o se pueden mover hacia abajo a la longitud del conducto interior. Las aletas externas también pueden ser rectas de una porción y espiral o helicoidales cerca de la porción de extremos de salida 24 del conducto interior 20.
Como se muestra en la FIG. 1, la pluralidad de aletas externas 26 puede tener un ahusamiento externo convergente el cual converge en la dirección de la porción de extremo- de descarga de combustible liquido 24. Además, como se muestra en la FIG. 1, la punta de rocío 30 puede tener un ahusamiento interno convergente en la porción de extremo de entrada 32 el cual converge en la dirección de la porción de extremo de descarga 34. El ahusamiento interno de la punta de rocío 30 puede estar generalmente de manera complementaria al ahusamiento externo de la pluralidad de aletas externas 26. El ahusamiento externo convergente puede estar sobre parte de la longitud de la pluralidad de aletas externas 26. Alternativamente, como se muestra para el atomizador de combustible líquido 2 en la FIG. 2, el ahusamiento externo convergente puede estar sobre toda la longitud de la pluralidad de las aletas externas 26.
Como se muestra para el atomizador de combustible líquido 3 en la FIG. 3, la pluralidad de aletas externas 26 pueden estar sin un ahusamiento interno convergente. La punta de rocío 30, también, puede estar sin un ahusamiento interno convergente entre la porción de extremo de entrada 32.
El atomizador de combustión líquido se puede usar para atomizar cualquier combustible líquido usado en aplicaciones de horno industriales, por ejemplo, aceite destilado No. 1, aceite combustible destilado No. 2, combustible diesel, biodiesel y sus subproductos (tal como glicerol) , queroseno, aceite combustible No. 4, aceite residual No. 5, aceite combustible residual No. 6, aceite combustible de tipo Bunker-C y otros conocidos por una persona de experiencia ordinaria en la técnica. .El gas atomizador puede ser cualquier gas atomizador conocido usado en aplicaciones de horno industriales, por ejemplo, aire, gas natural, oxígeno de grado industrial, aire enriquecido con oxígeno, propano, nitrógeno, dióxido de carbono, hidrógeno o una mezcla de dos o más de estos gases.
Para algunas aplicaciones de horno, tal como hornos de fusión de vidrio, se prefieren flamas generalmente planas. Para generar una flama generalmente plana, el orificio 38 puede ser un orificio ranurado alargado, el cual actúa para formar un patrón de rocío aplanado. Un orificio ranurado es una abertura de ranura que tiene una dimensión ancha y una dimensión alta, donde la dimensión ancha es mayor que la dimensión alta. La anchura puede variar de 3 mm a 25.4 mm y la altura puede variar de 0.75 a 7.62 mm. La sección transversal de las ranuras puede ser rectangular, ovalada, u otra forma no circular adecuada. Un orificio ranurado alargado tiene una dimensión de longitud también, donde la dimensión de longitud es por lo menos dos veces del diámetro hidráulico. La dimensión de longitud puede ser de 2 a 10 veces el diámetro hidráulico. La sección transversal de la ranura puede variar a lo largo de la longitud, por ejemplo, la dimensión de ancho puede incrementarse en la dirección del flujo teniendo en consecuencia un ángulo de divergencia. Una dimensión de longitud mayor que dos veces que el diámetro hidráulico permite que el patrón de roció se forme por la forma del orificio y el ángulo de divergencia. El diámetro hidráulico, DH, se define en la forma convencional, ¿¾ = 4x área de sección transversal, perímetro humectado En el caso de varios diámetros hidráulicos a lo largo de la longitud de la ranura cargada, la dimensión del diámetro requerida se toma en el plano de entrada del orificio.
El conducto exterior 10, conducto interior 20 y la punta de rocío 30 se pueden hacer de cualquier material adecuado, por ejemplo, acero inoxidable y se construyen usando métodos conocidos en la técnica. La pluralidad de aletas externas 26 se puede maquinar en la superficie del conducto interior 20 al cortar ranuras dentro de la superficie exterior.
El aparato para la combustión de un combustible liquido puede ser un quemador con el atomizador de combustible liquido como se describe anteriormente. El quemador se puede adaptar para operar a una velocidad de encendido de entre 0.10 y 12 M o entre 0.25 y 6 MW.
Con referencia a la FIG. 4, el quemador 60 comprende una primera sección del conducto de gas oxidante 40 que define un primera pasaje de gas oxidante 54, el primer pasaje de gas oxidante 54 tiene una porción de extremo de entrada de primer pasaje de gas oxidante 44 y una porción de extremo de descarga de primer pasaje de gas oxidante 46 para descargar una primera corriente de gas oxidante, y un atomizador de combustión de liquido 5 dispuesto en relación espaciada a la sección del conducto de gas oxidante 40 con por lo menos parte del atomizador de combustible liquido 5 dispuesto dentro del primer pasaje de gas oxidante 54.
El atomizador de combustible liquido 5 es como se describe anteriormente y puede comprender cualquiera de las características de atomizador de combustible líquido descritos en la presentes.
El primer gas oxidante puede ser cualquiera gas oxidante adecuado para la combustión, por ejemplo, aire, aire enriquecido con oxígeno y oxígeno de grado industrial.
El primer pasaje de gas oxidante 54 puede tener una forma de sección transversal con una anchura y altura de diferentes dimensiones. El primer pasaje de gas oxidante 54 puede tener una relación de anchura a altura de 5 a 30. El primer pasaje de gas oxidante 54 puede tener una sección transversal de forma no circular y cada sección transversal se puede caracterizar por un punto central o centroide, donde el centroide tiene la definición geométrica usual. El pasaje de gas 54 se puede caracterizar adicionalmente por un eje longitudinal definido como una linea recta octogonal a las secciones transversales del pasaje y que conecta los centroides de las secciones transversales del pasaje.
El quemador 60 puede comprender además una segunda sección del conducto de gas oxidante 70 que define un segundo pasaje de gas oxidante 56 para descargar una segunda corriente de gas oxidante para la asi llamada estadificación del oxidante. El segundo pasaje de gas oxidante 56 está próximo al primer pasaje de gas oxidante 54 y se puede localizar abajo del primer pasaje de gas oxidante 54. El segundo pasaje de gas oxidante 56 puede tener una forma de sección transversal con una anchura y altura de diferentes dimensiones. El segundo pasaje de gas oxidante 56 puede tener una relación de anchura a altura de 5 a 30. El segundo pasaje de gas oxidante 56 puede tener una sección transversal de forma no circular y cada sección transversal se puede caracterizar por un punto central o centroide, donde el centroide tiene la definición geométrica usual. El segundo pasaje de gas oxidante 56 se puede caracterizar adicionalmente por un eje longitudinal definido como una linea recta ortogonal a las secciones transversales del pasaje y conectan los centroides de las secciones transversales del pasaje. El eje longitudinal del primer pasaje de gas oxidante 54 y el eje longitudinal del segundo pasaje de gas oxidante 56 pueden estar sustancialmente paralelos .
El segundo gas oxidante puede ser cualquier gas oxidante adecuado para la combustión, por ejemplo, aire, aire enriquecido con oxigeno, y oxigeno de grado industrial. El primer gas oxidante y el segundo gas oxidante pueden ser la misma composición, proviniendo de la misma fuente.
La primera sección del conducto de gas oxidante 40 y la segunda sección del conducto de gas oxidante 70 se pueden construir de conductos separados y distintos o construir de un solo bloque de material, por ejemplo, un bloque de quemador, como se muestra en la FIG. 4. La FIG. 4 muestra el primer pasaje de gas oxidante 54 y el segundo pasaje de gas oxidante 56 formados en un bloque de quemador común 50. Como se muestra en la FIG. 4, el bloque de quemador 50 puede comprender la primera sección del conducto de gas oxidante 40 y la segunda sección del conducto de gas oxidante 70.
El quemador se puede construir para transportar el mismo gas oxidante al primer pasaje de gas oxidante 54 y el segundo pasaje de gas oxidante 50 de modo que la segunda corriente de gas oxidante tiene la misma concentración de oxigeno como la primera corriente de gas oxidante. Alternativamente, el quemador se puede construir para transportar un gas oxidante diferente al segundo pasaje de gas oxidante 56 que al primer pasaje de gas oxidante 54 de modo que la segunda corriente de gas oxidante tiene una concentración diferente de oxigeno que la primera corriente de gas oxidante.
Como se muestra en la FIG. 4, el quemador 60 puede comprender además un múltiple de entrada de oxidante 57. El gas oxidante fluye a través del múltiple de entrada de oxidante 57 y eventualmente al primer pasaje de gas oxidante 54 y el segundo pasaje de gas oxidante 56. El múltiple de entrada de oxidante 57 está en comunicación de flujo de fluido corriente arriba con el primer pasaje de gas oxidante 54 y el segundo pasaje de gas oxidante 56. Una válvula de estadificación 64' se puede usar para desviar o regular el flujo del gas oxidante al segundo pasaje de gas oxidante 56. La válvula de estadificación 64 está en comunicación de flujo fluido corriente abajo con el múltiple de entrada de oxidante 57 y en comunicación de flujo de fluido corriente arriba con el primero y el segundo pasaje de gas oxidante 56.
El quemador 60 puede comprender además un pleno de entrada de oxidante 82 en comunicación de flujo de fluido corriente arriba del primer pasaje de gas oxidante 54. El pleno de entrada de oxidante se puede espaciar alrededor de por lo menos una porción del atomizador de combustible liquido, y de por lo menos una porción del primer pasaje de gas oxidante 54 se puede espaciar alrededor de la punta de roció. El quemador puede comprender además un difusor 80 localizado corriente arriba del pleno de oxidante 82. El propósito de este difusor es ayudar en la distribución del flujo de oxidante que entra al pleno de entrada de oxidante.
El extremo de descarga de la punta de rocío 30 se puede montar al ras con la cara caliente 52 del bloque del quemador 50, o incrustar dentro del pasaje de gas oxidante 54. Empotrar la punta de rocío 30 en el bloque de quemador 50 ayudará a mantener la temperatura de operación más fría de la cámara de mezclado. Sin embargo, el grado al' cual la punta de rocío 30 se puede empotrar dependerá de las condiciones de operación del quemador 60, como se describe posteriormente.
En otro aspecto, la presente descripción se relaciona a un método para quemar un combustible líquido usando el quemador como se describe en la presente. En el método, el quemador se puede operar a una velocidad de encendido de entre 0.10 y 12 o entre 0.25 y 6 W.
El método para quemar un combustible líquido comprende proporcionar un quemador como se describe en la presente con un atomizador de combustible liquido como se describe en la presente. El quemador y el atomizador de combustible liquido pueden comprender cualquiera de las características del quemador o atomizador de combustible líquido respectivas descritas en la presente.
Con referencia a la FIG. 1 y a la FIG. 4, el método comprende hacer pasar un primer gas oxidante a través de la primera sección del conducto de gas oxidante 40 descargando en consecuencia una primera corriente de gas oxidante de la primera porción de extremo de descarga de conducto de gas oxidante 46. El método comprende además hacer pasar el combustible líquido a través del conducto interior 20 y dentro de la cámara de mezclado 36 y hacer pasar el gas atomizador a través del pasaje de gas atomizador 16 y dentro de la cámara de mezclado 36 formando en consecuencia una mezcla del combustible líquido y el gas atomizador. El método entonces comprende además hacer pasar la mezcla del combustible líquido y el gas atomizador a través del orificio 38 descargando en consecuencia la mezcla del combustible líquido y el gas atomizador de la cámara de mezclado 36 como un combustible líquido atomizado dentro de la primera corriente de gas oxidante. El método comprende además quemar por lo menos una porción del combustible líquido con por lo menos una porción de la primera corriente de gas oxidante formando en consecuencia una flama.
El método también puede incluir la estadificación del oxidante. Un segundo gas oxidante se puede hacer pasar a través de un segundo pasaje de oxidante 56 descargando en consecuencia la segunda corriente de gas oxidante abajo de la flama y quemar por lo menos una porción de combustible liquido con por lo menos una porción de la segunda corriente de gas oxidante.
En el método, la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador pueden tener un tiempo de residencia medio en la cámara de mezclado de 70 a 3200 microsegundos, de 160 a 2400 microsegundos o de 250 a 1600 microsegundos.
El tiempo de residencia medio se calcula al dividir el volumen de la cámara de mezclado general (sobre la longitud de la cámara de emulsión definida en lo anterior) por la velocidad de flujo volumétrico de la mezcla de emulsión. La velocidad de flujo volumétrico de la mezcla de emulsión se calcula al agregar las velocidades de flujo volumétricos de tanto el combustible liquido como el gas atomizador. Puesto que el gas atomizador es compresible, la velocidad de flujo volumétrico actual para el gas se obtiene al corregir la presión. Por ejemplo, si la velocidad de flujo del combustible liquido es 70 litros/hora, la velocidad de flujo del gas atomizador es 11 metros normales en cubo por hora (Nm3/h) , la presión en la cámara de emulsión es 2.4 bar, y la temperatura en la cámara de mezclado es de 373K, la velocidad del volumen de mezcla de emulsión es: Para una boquilla que tiene un volumen de cámara de emulsión de 790 mm3, el tiempo de resistencia medio es: 790 mm3l/ (0.0018 m3/xm3/lxl09 mm3=443 µe .
En el método, la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador se pueden descargar de la punta de roció con una velocidad, j., y el primer gas oxidante se puede descargar de la primera porción de extremo de descarga de conducto de gas oxidante con una velocidad, v2, en donde 1=—=100 . La operación en este intervalo proporciona el beneficio de mantener la forma de la flama correcta. En la combustión del combustible liquido, la forma de la flama se dictamina principalmente por la región que emite de la punta de roció que contiene gotitas de combustible. Para que ocurra la combustión, las gotitas de combustible primero se evaporan y es la evaporación de las gotitas (antes de la combustión) que es la etapa de limitación de velocidad en el proceso de combustión la que procede como una flama de difusión alrededor de la gotita de vaporación (Lefebvre, "Atomization and Sprays", p. 309, Hemisfhere Publishing, 1989) . Al mantener la mezcla del combustible liquido y la velocidad del gas atomizador, Vi, mayor que la primera velocidad del gas oxidante, v2, la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador tenderán a retirar el primer gas oxidante dentro de la región que contiene las gotitas de combustible líquido sin afectar significativamente la forma de la región que contiene las gotitas de combustible líquido. De esta manea, la forma de la flama no se afecta significativamente por el flujo de gas oxidante, pero en lugar se dictamina más por el diseño de atomizador de combustible líquido. En otras palabras, la envoltura de la flama es una función fuerte del patrón de rocío del atomizador.
Una vez que la relación se incrementa más allá de 100, ya sea la velocidad del gas atomizador, Vi, no es muy grande, o la primera velocidad del gas oxidante, v2, es muy pequeña, o ambos. Cuando la mezcla de combustible líquido y la velocidad del gas atomizador, vi, es muy grande, esta tiene la desventaja de requerir altas presiones de suministro del gas atomizador y el combustible líquido. Cuando la primera velocidad de gas oxidante, v2, es muy pequeña, tiene el efecto de reducir el grado el cual el primer gas oxidante proporcionará beneficio de enfriamiento a la punta de rocío, y puede dar por resultado una distribución uniforme del primer gas oxidante alrededor de la punta de rocío, 30, y el conducto exterior, 10. Por esta razón una relación arriba de 100 no es deseable.
Si la primera velocidad del gas oxidante, v2, es mayor que la mezcla del combustible liquido y la velocidad del gas atomizador, ??, entonces la región que contiene las gotitas de combustible liquido, y por lo tanto la flama, comienzan a cambiar de forma y en algunos casos oscilarán. Esto incrementa la probabilidad de tener la región de gotitas de combustible liquido, y por lo tanto la flama, impactando sobre la superficie interior del primer pasaje de gas oxidante, 54, del bloque del quemador, 50, dando por resultado el daño al bloque de quemador, 50. Además, esto restringirá significativamente el grado al cual la lanceta se puede empotrar dentro de bloque de quemador.
La velocidad de la mezcla, vi, se calcula al adicionar las velocidad de flujo volumétricos de tanto el combustible liquido como el gas atomizador y al dividir el resultado por el área de sección transversal del orificio. Como se describe anteriormente, puesto que el gas atomizador es compresible, la velocidad.de flujo volumétrica actual para el gas se obtiene al corregir la presión. Por ejemplo, si la velocidad de flujo del combustible líquido es de 70 litros/hora, la velocidad del flujo de gas atomizador es de 11 nm3/h, la presión en la cámara de mezclado es de 2.4 bar, la temperatura en la cámara de mezclado es de 373K, y el área de sección transversal del orificio es de 30 mm2, la velocidad de la mezcla es: [1.01325 bar) 373 K 10001/m3 2.4 bar 273.15 K Si el área del orificio varia sobre su longitud, se usa el área más pequeña para el calcula de la velocidad de la mezcla .
EJEMPLOS Se llevaron a cabo simulaciones dinámicas de fluido computacionales (CFD) para determinar el efecto del cambio de varios factores en la geometría del atomizador de combustible líquido. En todos los ejemplos CFD que sigue, la boquilla atomizadora se localizó en el centro del primer pasaje de gas oxidante como se muestra en la Fig. 4. Los parámetros geométricos del quemador se resumen en la Tabla 1. La profundidad del bloque fue suficientemente larga para asegurar el flujo completamente desarrollado de oxidante en tanto los primeros como los segundos pasajes de gas oxidante.
Tabla 1 Articulo Valor Unidad Anchura del primer 288 mm pasaje del gas oxidante (54) Altura del primer 53 mm pasaje del gas oxidante (54) Diámetro exterior del conducto exterior (10) Área del orificio (38) Ejemplo 1 - Efecto de las condiciones de operación El Ejemplo 1, se determinó el efecto del cambio de las condiciones de operación en la temperatura máxima de la cámara de mezclado, usando las boquillas de los Casos 1 y 2 como se describe en la Tabla 3. Se seleccionaron dos condiciones de operación. En la primera condición de operación, el flujo de aceite al quemador fue de 106 1/hr y el flujo atomizador fue de 3.94 nm3/hr. La proporción de oxidante a través del primer pasaje de oxidante fue de 30%, con el resto de oxidante requerido para la combustión estequiométrica que fluye a través del segundo pasaje de gas oxidante. En la segunda condición de operación, el flujo de aceite al quemador fue de 265 1/hr y el flujo atomizador fue 3.94 Nm3/hr. La proporción de oxidante a través del primer pasaje de oxidante fue de 50%, con el resto de oxidante requerido para la condición estequiométrica que fluye a través del segundo pasaje de gas oxidante. La · temperatura del horno para ambos casos fue de 1649°C.
Para el Caso 1, bajo estos dos conjuntos de condiciones de operación, la temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 532 °C para la velocidad de flujo de aceite más baja y la velocidad de flujo de oxidante más baja en el primer pasaje de gas oxidante. La temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 377 °C para la velocidad de flujo de aceite más alta y la proporción más alta de velocidad de flujo de oxidante en el primer pasaje de gas oxidante.
Para el Caso 2, bajo estos dos conjuntos de condiciones de operación, la temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 433°C para la velocidad de flujo de aceite más baja y el velocidad de flujo de oxidante más baja en el primer pasaje de gas oxidante. La temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 306°C para la velocidad de flujo de aceite más alta y la proporción más alta de velocidad de flujo de oxidante en el primer pasaje de gas oxidante.
La disminución de la temperatura de la cámara de mezclado máxima baja la propensión de los asfáltenos en el aceite combustible (particularmente aceite combustible pesado) para formar coque, lo cual a su vez disminuye la frecuencia requerida para limpiar el ensamble de boquilla. Y mientras que es tentador decir que es simplemente una cuestión de alterar las condiciones de operación del quemador (es decir al incrementar la proporción de oxidante al primer pasaje de oxidante) y al atomizador (es decir al incrementar el flujo de aceite y gas atomizador) para asegurar que la temperatura de la cámara de mezclado se disminuya suficientemente a un nivel aceptable, es típicamente la operación del horno que indica la velocidad del flujo de aceite, y por la extensión de la velocidad del flujo de oxidante al quemador, y no a la inversa. Además de la operación más óptima, particularmente para la fusión de vidrio, es típicamente con el grado máximo de estadificación del oxidante posible (es decir con una proporción mayor de oxidante dirigido al segundo pasaje de oxidante) , con los beneficios de la radiación de dirección implementada (más calor de la flama dirigido hacia abajo del vidrio, menos calor dirigido de la flama hacia a la corona del horno) , la calidad del vidrio, y las emisiones de NOx disminuidas como se describe, en la patente norteamericana 7,390,189. Finalmente, es preferible tener un atomizador en el quemador el cual tenga la capacidad de cubrir un amplio intervalo de condiciones de operación. Esto da la flexibilidad más grande de la operación del horno sin tener que intercambiar el equipo para igualar las condiciones de operación del quemador requeridas, tal como velocidad de encendido o velocidad de flujo de aceite, y proporción del flujo de oxidante a través del primer pasaje de oxidante.
Por estas razones es deseable disminuir la temperatura de la cámara de mezclado al grado más grande posible, para un conjunto dado de condiciones de operación. Por lo tanto, las condiciones de operación se fijaron arbitrariamente, como se resumen en la Tabla 2, de modo que los ejemplos que siguen pueden ilustrar como las diferentes configuraciones de la presente invención disminuyen la temperatura de la cámara de mezclado máxima.
Tabla 2 Flujo de Aceite 265 1/hr Flujo del gas atomizador 3.94 Nm3/hr Proporción de oxidante a través del 50 0. "o primer pasaje de oxidante Temperatura del horno 1649 °C Pureza del oxigeno 100 Q. "5 Temperatura de la entrada de aceite 117 °c Temperatura de la entrada de gas 27 °c atomizador Se investigaron los efectos de las siguientes características, como se resume en la Tabla 3, en la temperatura de la cámara de mezclado máxima: 1. Contacto de la pluralidad de aletas externas a la superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de rocío. 2. El espesor de la unión de soldadura como una proporción del espesor de la pared del conducto exterior. 3. La relación del espesor de la pared del conducto al diámetro exterior del conducto exterior; y 4. Geometría del pasaje de gas atomizador (diámetro hidráulico) .
Tabla 3 Caso 1 2 3 4 5 Área de contacto/área de 0 1.09 1..09 1.02 1.5 sección transversal de la pared del conducto exterior Espesor de la soldadura 25 25 100 100 100 (% del espesor de la pared) Relación del espesor de 0.147 0.147 0.147 0.147 0.108 la pared del conducto exterior al diámetro exterior del conducto exterior Relación del espesor de 0.605 0.509 0.509 0.522 . 0.416 la pared del conducto interior al diámetro exterior del conducto interior en la región de las aletas externas Relación de la longitud 0 2.23 2.23 0.49 2.23 de las aletas externas al diámetro exterior del conducto exterior Relación de (número de 0 0.524 0.524 0.378 0.572 aletas, longitud del arco de la aleta media Nx, 5) al perímetro interior del conducto exterior, P, en la región de las aletas externas al área superficial interior del conducto exterior (Diámetro hidráulico del 0.116 0.064 0.064 0.056 0.061 pasaje del gas atomizador) / (diámetro exterior del conducto exterior) en la porción de extremo de descarga del gas atomizador (Diámetro hidráulico del 0.117 0.238 0.238 0.109 0.210 pasaje del gas atomizador) / (Diámetro exterior del conducto exterior) en la porción de extremo de entrada del gas atomizador Geometría del pasaje del 8 8 8 8 8 gas atomizador en la orific ranuras ranuras ranuras ranuporción de extremo de ios cuadracuadracuadraras entrada de la punta de das das das cuadra rocío -das Temperatura de la cámara 377 306 313 288 306 de mezclado máxima (°C) Temperatura máxima del 383 511 479 372 487 conducto exterior (°C) Ejemplo 2 - Efecto' del contacto de la pluralidad de las aletas externas a la superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de roció En esta comparación, entre el Caso 1 y el Caso 2 de la Tabla 3, la temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 377 °C cuando no hubo contacto entre la porción de extremo de entrada de la punta de rocío, mientras que la temperatura fue de 306°C cuando hubo contacto con la porción de extremo de entrada de la punta de rocío.
La pirólisis de los asfáltenos (un componente significativo de los aceites combustibles residuales) , la cual entre otras cosas produce coque, ocurre entre 350°C y 800°C (Spight, James G. Hadbook of Petroleum Analysis. (p: 216) . John Wiley & Sons © 2001) y para evitar la posibilidad de la formación de coque, es necesario mantener la temperatura de la cámara de mezclado (la porción más caliente del ensamble atomizador que está en contacto con el aceite) abajo de 350 °C. Por lo tanto se puede observar que al tener el contacto de la pluralidad de las aletas externas a la superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de rocío disminuye la temperatura máxima de la cámara de mezclado abajo de 250°C, la temperatura en la cual los asfáltenos comienzan a formar coque. Mientras que se intenta decir que el problema no se resuelve y no es necesario una mejora adicional, es importante observar que al disminuir la temperatura de la cámara de mezclado máxima más bajo dará por resultado una ventana más grande de condiciones de operación en lo cual la propensión de formación de coque se elimina o se reduce significativamente.
Ejemplo 3 - Efecto del espesor de la unión de soldadura como una porción del espesor de la pared del conducto exterior Se llevó a cabo otro estudio para explorar otras posibilidades de disminución adicional de la temperatura de la cámara. En esta comparación, entre el Caso 2 y el Caso 3 de la Tabla 3, la temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 306°C cuando el espesor de la unión de soldadura fue de 20% del espesor de la pared del conducto exterior, mientras que la temperatura fue de 313 °C cuando el espesor de la unión de soldadura fue 100% del espesor de la pared exterior. Este ligero incremento en la temperatura es un resultado inesperado, y análisis adicionales revelan que la razón por esto es debido a una interacción compleja de muchos modos de transferencia de calor en este sistema.
Además de la punta de roció, el conducto exterior también recibe una porción significativa de calor por la via de la transferencia de calor radiante del horno a su superficie exterior. En general, el calor se remueve del conducto exterior mediante varios mecanismos: convección de calor por la via del flujo del oxidante a través del primer pasaje de oxidante, el cual circunda el conducto exterior; la conducción de calor a lo largo de la longitud del conducto exterior, asi como también la conducción radial a través de la pared del conducto; convección de calor por la via del flujo del gas atomizador el cual está en comunicación fluida con la superficie interior del conducto exterior. La convección siempre ayuda a enfriar la temperatura de la cámara, pero si la conducción a lo largo de la longitud del conducto exterior lo haría lo mismo dependería de cual dirección se conduce el calor. En este ejemplo, la punta de rocío se enfría efectivamente por el combustible líquido y el gas atomizador en la superficie interior de la cámara de emulsión, y el punto más caliente ocurre en la superficie exterior del conducto exterior (10) en lugar que en la punta de la boquilla. El contacto entre la pluralidad de aletas externas de la superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de roció disminuye adicionalmente la temperatura de la punta.
Mientras que el calor se conducirá lejos de la parte más caliente del conducto exterior en ambas direcciones (hacia la punta de rocío y lejos de la punta de rocío a la parte posterior del quemador la cual está localizada fuera del horno detrás de un bloque refractario) la magnitud de la conducción de calor hacia la punta de rocío es mayor que la conducción de calor lejos de la punta de rocío debido a que el gradiente de temperatura es más grande como resultado del efecto de enfriamiento del combustible líquido en la punta de rocío y la distancia relativamente corta entre la punta de rocío y otro punto caliente del conducto exterior.
La razón de que la temperatura de la cámara de mezclado máxima se incrementa cuando el espesor de la soldadura se incrementa es debido a que las soldaduras más gruesas permiten una cantidad mayor de calor que se conduzca axialmente a lo largo de la pared del conducto exterior del punto caliente de la pared del conducto a la punta del rocío y dentro de la cámara de mezclado.
Es importante observar que a pesar del ligero incremento en la temperatura máxima de la cámara de mezclado, la temperatura máxima del conducto exterior disminuyó de 511°C a 479°C.
Ejemplo 4 - Efecto de la relación del espesor de la pared de conducto al diámetro exterior del conducto exterior.
En esta comparación, entre el Caso 3 y el Caso 5 de la Tabla 3, la temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado fue de 313°C cuando la relación del espesor de la pared del conducto exterior al diámetro exterior del conducto exterior fue de 0.147, mientras que la temperatura fue de 306°C cuando la relación del espesor de la pared del conducto exterior al diámetro exterior del conducto exterior fue de 0.108. Como se esperó del ejemplo comparativo del espesor de la soldadura anterior, la temperatura de la cámara de emulsión es ligeramente más fría que cuando el espesor de la pared es más delgado. Sin embargo, menos calor se conduce a lo largo de la longitud del conducto exterior del punto caliente a la punta de rocío, dando por resultado un incremento en la temperatura máxima del conducto exterior de 479°C a 487°C.
Ejemplo 5 - Efecto de la geometría del (los) pasaje (s) de gas atomizador (diámetro hidráulico) En esta comparación, entre el Caso 3 y el Caso 4 de la Tabla 3, el primer cambio que se hizo fue que la longitud de la pluralidad de aletas externas se disminuyó significativamente tal que hay un área grande de superficie entre el conducto exterior y el aire de enfriamiento. El segundo cambio fue que, el diámetro hidráulico del espacio anular entre la superficie interior del conducto exterior, y loa superficie exterior del conducto interior se disminuyó por más de 50% del Caso 3 al Caso 4 al incrementar el diámetro exterior del conducto interior (y el espesor de la pared para mantener el mismo diámetro interior del conducto interior) . Tercero, la proporción dimensional de las ranuras en el Caso 4 se cambió de una ranura profunda reducida, a una ranura relativamente cuadrada. La proporción dimensional (altura a anchura) de las ranuras en el caso 3 fue de 2.74 y en el Caso 4 fue de 0.97. Estos tres cambios a la geometría de los pasajes del gas atomizador tienen un efecto significativo en la transferencia de calor convectivo entre el gas atomizador y la superficie interior del conducto exterior.
Primero, teniendo un espacio anular entre la superficie interior del conducto exterior y la superficie exterior del conducto interior en la región corriente arriba de las aletas externas sobre el conducto interior en la región del punto caliente (localización de la temperatura máxima del conducto interior) del conducto exterior incrementa el área superficial disponible para la transferencia de calor entre la superficie interior del conducto exterior y el gas atomizador. Segundo, la disminución del diámetro hidráulico en la región ayuda a incrementar la transferencia de calor convectivo entre la superficie ' interior del conducto .exterior y el gas atomizador. Tercero, el enfriamiento de las ranuras (y por la reducción de la extensión de las aletas) al cambiar su proporción dimensional incrementa el área superficial disponible para la transferencia de calor entre el gas atomizador y la superficie interior del conducto exterior, sin afectar significativamente el área de contacto entre la pluralidad de aletas externas de la superficie interior de la porción de extremo de entrada de la punta de roció. Cabe señalar que las aletas externas crean una barrera a la transferencia de calor convectivo entre el gas atomizador y la superficie interior del conducto exterior debido a que no hay esencialmente flujo en el espacio de tolerancia entre las superficies de la aleta exterior y la superficie interior del conducto exterior. Además las aletas no desempeñan una función significativa en la conducción radial lejos (radialmente hacia adentro) del conducto exterior debido a que no hay contacto intimo entre las superficies exteriores de las aletas externas y la superficie interior del conducto exterior. Está en contraste con el contacto intimo y benéfico entre las superficies exteriores de las aletas exteriores y la superficie interior de la punta de roció descritas NxS anteriormente. Por lo tanto es deseable proporcionar 0 \= <09 P donde N es la cantidad de aletas externas de la pluralidad de aletas externas, S es la longitud del arco media de las aletas externas de la pluralidad de aletas externas, y P es el perímetro interior del conducto exterior en una sección transversal de conducto exterior adyacente a la pluralidad de aletas externas. Además, la pared más espesa del conducto interior para el Caso 4 permite una mayor conducción de la cámara de mezclado a lo largo de la longitud del conducto interior lejos de la cámara de mezclado, disminuyendo en consecuencia la temperatura de la cámara de mezclado.
Estas tres mejoras ayudan a disminuir significativamente la temperatura máxima del conducto exterior de 479°C (Caso 3) a 372°C (Caso 4). A su -vez, esto conduce a una conducción menos caliente a lo largo de la pared del conducto exterior a la cámara de mezclado. La temperatura predicha máxima dentro de la cámara de mezclado disminuyó de 313°C (Caso 3) a 280°C (Caso 4) .
El beneficio de esta configuración es que la cámara de mezclado está muy abajo de la temperatura en la cual el coque se formaría, y la temperatura máxima de conducto exterior está abajo del intervalo de temperatura de 430-900°C donde la corrosión acuosa debido a la precipitación de carburo (particularmente carburo de cromo), en los límites de grano es una preocupación para las aleaciones más comunes tales como acero inoxidable 316, 304, y 310 (Roberge, P.R., Handbook of Corrosión Engineering, McGra -Hill © 2000, Página 712) .
Ejemplo 6 Se hizo una comparación entre el presente atomizador de combustible líquido y una versión comercial del atomizador de combustible líquido descrito en la patente norteamericana No. 7,500,849, a partir de ahora, el atomizador 849. El espesor de la soldadura fue de 1.27 mm y ¦ 3.91 mm para el atomizador ?849 y el presente atomizador, respectivamente. El área de sección transversal del conducto exterior fue de 117 mm2 y 89 mm2 para el atomizador x849 y el presente atomizador, respectivamente. El espesor de la pared del conducto exterior fue de 2.87 mm (0.113 in.) y 3.91 (0.154 in.) para el atomizador ? 849 y el presente atomizador, respectivamente.
El presente atomizador tuvo 8 aletas externas sobre la superficie exterior del conducto interior.
Se usó un termopar para medir la temperatura superficial de la superficie interior de la cámara de mezclado. El aire se hizo pasar a través del pasaje de gas atomizador a una velocidad de 5.2 Nm3/h (3.3 scfm) . No se hizo pasar combustible líquido a través del atomizador. Se calentó un horno a aproximadamente 1150 °C (2100 °F) . Los diferentes atomizadores se insertaron a una profundidad igual dentro del horno tal que la punta del atomizador estuvo sobresaliendo en la superficie. Se midió la temperatura de la superficie dentro de la cámara de mezclado. La temperatura de la superficie interior de la cámara de mezclado del atomizador '849 fue de aproximadamente 350 °C con una temperatura de horno promedio de aproximadamente 1184 °C. La temperatura de la superficie interior de la cámara de mezclado del presente atomizador fue de 236°C con una temperatura de horno promedio de aproximadamente 1197 °C.
Las temperaturas más bajas en la cámara de mezclado son indicativas del potencial para la coquización reducida del combustible liquido en la punta de rocío. Puesto que la temperatura de la superficie interior de la cámara de mezclado fue más baja para el presente atomizador comparado con el atomizador ?849, se debe reducir la coquización de combustible en la punta de rocío.
Esta invención se ha descrito con referencia a modalidades particulares, sin embargo la invención no se debe limitar a aquellas modalidades e incluyen modificaciones y arreglos equivalentes que caen dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para la combustión de un combustible líquido, el aparato caracterizado porque comprende : un conducto exterior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de gas atomizador y una porción de extremo de descarga de gas atomizador, un conducto interior de forma generalmente cilindrica que tiene una porción de extremo de entrada de combustible líquido y una porción de extremo de descarga de combustible líquido, el conducto interior dispuesto dentro del conducto exterior y forma un pasaje de gas atomizador entre el conducto exterior y el conducto interior, el pasaje de gas atomizador que se extiende desde la porción de extremo de entrada del gas atomizador hasta la porción de extremo de descarga de gas atomizador, y una punta de rocío que tiene una porción de extremo de entrada y una porción de extremo de descarga, la porción de extremo de entrada de la punta de rocío unida a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior la punta de rocío tiene: una cámara de mezclado dispuesta para recibir el combustible líquido de la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior y dispuesta para recibir un gas atomizador del pasaje de gas atomizador, y un orificio en la porción de extremo de salida de la punta de roció, el orificio dispuesto para recibir el combustible liquido y el gas atomizador de la cámara de mezclado y para descargar el combustible líquido y el gas atomizador de la punta de rocío como un combustible líquido atomizado, en donde el conducto interior tiene una pluralidad de aletas externas en la porción de extremo de descarga de combustible líquido del conducto interior en donde por lo menos algunas de la pluralidad de aletas externas hacen contacto con una superficie interior de la porción extremo de entrada de la punta de rocío.
2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el orificio es un orificio ranurado alargado.
3. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de aletas externas tiene un ahusamiento externo convergente el cual converge en la dirección de la porción de extremo de descarga de combustible líquido y en donde la punta de rocío tiene un ahusamiento interno convergente en la porción de extremo de entrada el cual converge en la dirección de la porción de extremo de salida, el ahusamiento interno generalmente complementario al ahusamiento interno de la pluralidad de las aletas externas.
4. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de aletas externas son aletas longitudinales.
5. El aparato de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el aparato tiene una relación de longitud de la pluralidad de las aletas externas al diámetro exterior del conducto exterior de 0.1 a 3.0.
6. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de aletas externas son aletas espirales.
7. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de aletas externas se numeran de 3 a 20.
8. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conducto exterior tiene una relación de espesor de la pared del conducto a diámetro exterior de conducto de 0.1 a 0.2.
9. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato tiene una relación de diámetro hidráulico de pasaje de gas atomizador al diámetro exterior del conducto exterior de 0.05 a 0.25.
10. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato tiene una relación de espesor de la pared del conducto interior a diámetro exterior del conducto interior de 0.2 a 0.7 en una sección transversal de conducto interior que tiene la pluralidad de aletas externas.
11. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque 01= ^X^=0 donde N es la cantidad de aletas externas de P la pluralidad de aletas externas, S es la longitud de arco medio de las aletas externas de la pluralidad de aletas externas, y P es el perímetro interior del conducto exterior en la sección transversal de conducto exterior adyacente a la pluralidad de aletas externas.
12. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la porción de extremo interior de la punta de rocío se une a la porción de extremo de descarga de gas atomizador del conducto exterior por una unión de soldadura.
13. El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la unión de soldadura tiene un espesor de mayor que 25% a 100% del espesor de la pared del conducto exterior.
14. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de mezclado tiene un ahusamiento interno convergente adyacente al orificio el cual converge en la dirección del orificio.
15. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: una primera sección del conducto de gas oxidante que define un primer pasaje de gas oxidante, el primer pasaje de gas oxidante que tiene una porción de extremo de entrada del primer pasaje de gas oxidante y una porción de extremo de descarga de primer pasaje de gas oxidante para descargar una corriente de gas oxidante; y en donde el conducto exterior está dispuesto en relación espaciada al primer conducto de gas oxidante con por lo menos una parte del conducto exterior dispuesto dentro del pasaje de gas oxidante.
16. El aparato de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque además comprende: una segunda sección del conducto de gas oxidante que define un segundo pasaje de gas oxidante próximo al primer pasaje de gas oxidante, el segundo pasaje de gas oxidante para descargar una segunda corriente de gas oxidante .
17. El aparato de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende: un múltiple de entrada de oxidante en comunicación de flujo fluido con el primer pasaje de gas oxidante y el segundo pasaje de gas oxidante; y una válvula de estadificación en comunicación de flujo fluido corriente abajo con el múltiple de entrada de oxidante y en comunicación de flujo fluido corriente arriba con el segundo pasaje de gas oxidante para regular un flujo de la segunda corriente de gas oxidante al segundo pasaje de gas oxidante.
18. El aparato de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque además comprende: un pleno de entradas de oxidante en comunicación de flujo fluido corriente arriba del primer pasaje de gas oxidante, por lo menos una porción del pleno de entrada de oxidante que se espacia alrededor de por lo menos una porción de conducto exterior; y un difusor de oxidante localizado corriente arriba del pleno oxidante.
19. Un método para quemar un combustible liquido, caracterizado porque comprende: proporcionar el aparato de conformidad con la reivindicación 15; hacer pasar un primer gas oxidante a través del primer pasaje de gas oxidante descargando en consecuencia la primera corriente de gas oxidante de la porción de extremo de descarga del primer pasaje de gas oxidante; hacer pasar el combustible liquido a través del conducto interior y dentro de la cámara de mezclado y hacer pasar el gas atomizador a través del pasaje de gas atomizador y dentro de la cámara de mezclado formando en consecuencia una mezcla del combustible liquido del gas atomizador; hacer pasar la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador a través del orificio descargando en consecuencia la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador en la cámara de mezclado como un combustible liquido atomizado dentro de la primera corriente de gas oxidante; y quemar por lo menos una porción del combustible liquido atomizado con por lo menos una porción de la primera corriente de gas oxidante formando en consecuencia una flama.
20. El método de conformidad con la reivindicación 19, en donde el aparato comprende además una segunda sección del conducto de gas oxidante que define un segundo pasaje de gas oxidante, el. segundo pasaje de gas oxidante próximo y abajo del primer pasaje de gas oxidante, el segundo pasaje de gas oxidante para descargar una segunda corriente de gas oxidante, el método caracterizado porque además comprende: hacer pasar la segunda corriente de gas oxidante a través del segundo pasaje de gas oxidante descargando en consecuencia la segunda corriente de gas oxidante abajo de la flama, y quemar por lo menos otra porción del combustible liquido con por lo menos una porción de la segunda corriente de gas oxidante.
21. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador tiene un tiempo de residencia medio de una cámara de mezclado de 250 a 1600 microsegundos .
22. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque la mezcla del combustible liquido y el gas atomizador se descarga de la punta de rocío con una velocidad, vi, y el primer gas oxidante se descarga de la primera porción de extremo de descarga de conducto de gas v1 oxidante con una velocidad, v2, en donde l=—-=100.
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