MX2013009940A - Arreglo de quemador de oxi-combustible. - Google Patents

Abstract

Un arreglo de quemador de oxi-combustible que tiene un primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, D1/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2.0. El primer conducto se arregla y se dispone para proporcionar una primera corriente de fluido, donde la primera corriente de fluido es un combustible inflamable. El arreglo de quemador además incluye por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, donde la segunda corriente de gas incluye oxígeno. Un precombustor se arregla y se dispone para recibir la primera corriente de fluido y la segunda corriente de gas donde se produce una flama de oxi-combustible. La geometría de la abertura de boquilla y la geometría en sección transversal del primer conducto son diferentes.

Description

ARREGLO DE QUEMADOR DE OXI-COMBUSTIBLE ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a quemadores y métodos para utilizar los quemadores para calentamiento industrial que incluyen quemadores de oxi-combustible empleados en los canales de transporte que dejan un horno de fusión de vidrio y aquellos empleados en pequeños fundidores de vidrio de especialidad.

Los quemadores de acondicionamiento de vidrio de aire-combustible, tales como los quemadores utilizados en refinamiento o en el antecrisol, no usan aire precalentado . Mucha de la energía suministrada a la operación de acondicionamiento de los quemadores de aire-combustible se utiliza para calentar el nitrógeno en el aire. El mejoramiento de eficiencia lograble al cambiar de quemadores de aire-combustible a oxi-combustible es por lo menos 60%. Los quemadores de acondicionamiento de vidrio de oxi-combustible típicos se diseñan con altas velocidades de combustible para el mezclado rápido del combustible y oxígeno en las salidas de oxígeno y gas combustible. Estos quemadores generan flamas que divergen ampliamente conforme la distancia de la boquilla se incrementa. La abertura de bloque del quemador requerida para acomodar estas flamas debe ser divergente también, proporcionando la oportunidad al material volátil de hacer su ruta en el canal de bloque y depositarse en las puntas de la boquilla. Las pequeñas aberturas de la punta de la boquilla son fácilmente obstruidas de estos depósitos, causando la contaminación del vidrio con metal fundido del quemador dañado y distribuciones de temperatura vitrea des avorables en el área de acondicionamiento que conduce a problemas de calidad del vidrio. Este problema de obstrucción de boquilla no es fácil de identificar antes de que surjan problemas de calidad del vidrio, puesto que hay frecuentemente una falta de una vista clara de las flamas en el acondicionamiento de vidrio y áreas de antecrisol. Además, la obstrucción parcial de la boquilla puede desviar la flama de oxi-combustible y conducir al daño del bloque de quemador o incidencia de la flama directa en la superficie del vidrio, causando contaminación del vidrio o volatilización de los componentes de alto punto de ebullición del vidrio.

En el caso de. los canales de distribución (por ejemplo, dentro del antecrisol) que transportan la sustancia fundida del horno de fusión a las instalaciones corriente abajo, tales como máquinas de conformación en particular, el quemador o quemadores suministran la energía necesaria tal que al entrar a la instalación corriente abajo (conformación) , la sustancia fundida tiene propiedades homogéneas tales como temperatura, viscosidad, entre otras propiedades, que son adecuadas para su tratamiento en la instalación corriente abajo. El canal de distribución puede ser equipado en particular con quemadores dirigidos a compensar las pérdidas de calor a través de las paredes de los canales para reducir la heterogeneidad, notablemente en términos de la temperatura de la sustancia fundida en la sección transversal de los canales de distribución. Los quemadores de los canales de distribución son luego, como una regla general, quemadores de baja potencia, la flama de los cuales se limita a una zona cerca de las paredes del canal.

Cuando se emplea una flama en un canal de distribución que se extiende más allá de la zona cerca de las paredes del canal y que por lo tanto también calienta el material fundido en la zona central del canal, hay riesgo sustancial de rehervir el material fundido en esta zona y, por lo tanto, · de tener un producto final que exhibe inhomogeneidades y defectos correspondientes.

El ancho de los canales de distribución de material fundido puede ser pequeño creando un reto en mantener una distribución de temperatura homogénea mientras que se caldean los quemadores a una velocidad de caldeo suficiente para mantener la temperatura del vidrio óptima. Por ejemplo, los antecrisoles de fibra de vidrio son muy estrechos, frecuentemente menos de 45.72 cm (18 pulgadas) de amplio que puede presentar un reto de suministrar suficiente energía térmica al sistema sin incidencia de la flama en la pared opuesta.

Otras aplicaciones para los quemadores en operaciones de fusión de vidrio pueden utilizar velocidades de caldeo de medias a altas e incluyen hornos de vidrio de especialidad, tales como hornos de recipiente y tanques usuales, o canales de distribución de material fundido de gran capacidad, conductos y refinadores. Estas aplicaciones requieren entrada de calor relativamente alta por volumen del horno. Esto requiere quemadores de velocidad de caldeo relativamente alta para proporcionar suficiente entrada de calor. Al mismo tiempo, la distancia entre las paredes del horno es relativamente pequeña. Las instalaciones caldeadas de aire-combustible tales como estas logran la entrada de calor requerida dentro del espacio confinado al caldear los quemadores de aire-combustible en un arreglo donde el quemador de aire-combustible montado en la pared opuesta está directamente opuesto al quemador de aire-combustible montado en la pared cercana. El alto momento de una de las flamas de aire-combustible opuestas efectivamente equilibra el alto momento de la otra flama de aire-combustible opuesta, que protege la pared opuesta del sobrecalentamiento. Esta configuración de quemador de aire-combustible opuesta crea una gran cantidad de turbulencia en la cámara de combustión que puede crear puntos calientes. Los puntos calientes en la cámara de combustión también se pueden generar si los flujos a los quemadores de aire-combustible opuestos no son bien equilibrados o los quemadores son pobremente alineados cuando se instalan. Aun cuando se emplea este método de instalación opuesto, los quemadores de aire-combustible frecuentemente son incapaces de proporcionar la cantidad deseada de energía a la cámara, limitando la temperatura del vidrio, comprometiendo la calidad del producto y reduciendo las tasas de producción. La temperatura del vidrio homogénea por toda la cámara es importante para mantener la calidad del producto para estas aplicaciones. Es deseable tener un medio para' proporcionar la energía térmica necesaria sin generar puntos calientes en el refractario o dentro del material fundido.

El diseño del quemador involucra una variedad de factores a considerar, que incluyen el flujo de fluido, el mezclado de gases y otras consideraciones, particularmente con respecto a boquillas del quemador. Se ha estudiado alterar el flujo de las boquillas que tienen diferentes geometrías de abertura para afectar el mezclado de gas. Por ejemplo, un artículo de 1999 por Gutmark, E.J. y colaboradores, intitulado "Flow Control with Noncircular Jets" reporta una tendencia para el arrastre con diferentes geometrías de abertura de boquilla con aire a temperatura ambiente. Estos datos muestran que la boquilla circular imparte la cantidad más baja de arrastre y las geometrías de boquilla de ranura y cierre promueven el arrastre más alto. El ' arrastre más alto para la forma de abertura de boquilla significa más mezclado entre las corrientes de combustible y oxigeno para un quemador configurado con boquilla de gas combustible con el diseño de alto arrastre y una corriente de oxidante que circunda la corriente de combustible. Gollahalli, S.R. y colaboradores, (Combustión Sci. Technol. 1992, 86:1-6, 267 "Diffusión Flames o.f Gas Jets Issued from Circular and Elliptic Nozzles"), estudió las flamas de difusión de las aberturas de boquilla de combustible circulares y elípticas (relación dimensional de eje mayor/eje menor 3:1) utilizando combustible de propano diluido con nitrógeno. (Re 4740 para la boquilla circular) y una baja velocidad de corriente de aire concéntrica. Gollahalli confirmó que los resultados de Gutmark con las pruebas de flujo en frío se pueden traducir a flamas de propano de aire-combustible. Gollahalli encontró mezclado aumentado entre el combustible y el aire en las flamas producidas de una abertura de boquilla de combustible elíptica comparada con las flamas producidas de una abertura de boquilla de combustible circular que tienen la misma área abierta. Las pruebas de Gollahalli se limitaron al caldeo de aire abierto de las flamas de aire combustible de quemadores sin precombustores . Gollahalli no reportó cualquier diferencia en la longitud de la flama producida de las dos diferentes geometrías de boquilla. De hecho, la concentración de monóxido de carbono (una medición algunas veces utilizada para estimar la longitud de la flama) medida en el intervalo medio y la distancia más larga de la punta de boquilla se caracterizó por los autores como 'no significativamente diferente' para las dos diferentes geometrías de boquilla.

Otro documento por Zaman, K.B.M.Q. Zaman, intitulado "Axis S itching and Spreading of an Asymmetric Jet: The Role of Coherent Structure Dynamics", discute como se desarrolla el flujo con boquillas asimétricas, mapeando los cortes de contorno de velocidad media como una función de distancia de la boquilla. Zaman encontró que la dispersión de los flujos se aumenta para las boquillas asimétricas que tienen generadores en vórtice. Estos generadores en vórtice son esencialmente lengüetas maquinadas en las paredes . de la ranura que crean una discontinuidad a lo largo de la pared. Los autores también introducen el concepto de inversión de eje, donde el flujo puede iniciar la dispersión a lo largo del eje largo de la ranura y cambiar la dirección 180 grados en alguna distancia de la punta de la boquilla . El experimento donde el aire fluye a través de una boquilla de ranura muestra que los flujos propagados en la dirección de la asimetría hasta en alguna, distancia de la boquilla el flujo regresa a una forma circular. El impacto del generador en vórtice es para interrumpir el patrón de flujo típico desarrollado por la abertura de boquilla de pared lisa, que conduce a la inversión del eje (para las lengüetas delta montadas en el borde corto de la ranura) o prevenir los flujos de revertir a un patrón circular, (estabilizando la dispersión de los flujos a distancias más grandes de la boquilla) . Los artículos de Zaman y Gutmark muestran el comportamiento de flujo que resiste la formación de la flama plana, donde los patrones de flujo planos ' ya sea que requieren arreglos de quemador complicados o solamente tienen patrones de flujo planos para una porción del flujo de la cara del quemador. Una boquilla con una forma de ranura pero que carece de un borde liso (cremallera) aumenta el mezclado de modo que el precombustor comienza a sobrecalentarse si el precombustor tiene una L/D similar como el precombustor utilizado para la ranura con la superficie lisa.

Los métodos de combustión conocidos son descritos en USPN 5,256,058; Publicación de los Estados Unidos No. 2010/0310996; y USPN 5,500,030; la descripción de la cual es incorporada en la presente por referencia. El principio del quemador de oxi-combustible divulgado en ? 058 es para retardar el mezclado del combustible y oxigeno mientras se confina la porción de boquilla cercana de la flama de oxi-combustible dentro de un precombustor para producir una flama altamente luminosa. Esta flama proporciona transferencia de calor muy eficiente en hornos grandes e inhibe la acumulación y corrosión en las boquillas del quemador. Una desventaja del enfoque de mezclado retardado es que las flamas son demasiado largas para suministrar la energía necesaria a los canales, los conductos y antecrisoles sin sobrecalentamiento del vidrio en el centro de un amplio antecrisol o sobrecalentamiento del refractario en la pared opuesta de un antecrisol estrecho, el canal u horno de fusión de vidrio de especialidad pequeño. Otra desventaja es que las flamas de '058 no son capaces de mantener suficiente homogeneidad de temperatura del vidrio dentro de estas estructuras de acondicionamiento de vidrio, adversamente afectando la calidad del producto.

Un intento de obtener una flama plana se divulga en Kobayashi, Publicación de Patente de los Estados Unidos No. US2003/0015604 , la cual es incorporada por referencia en su totalidad. Kobayashi divulga introducir una corriente de gas por arriba y por abajo de la corriente de gas combustible para 'aplanar' la flama. Kobayashi utiliza un diseño complicado y no utiliza la dinámica de fluido de la forma de boquilla y operación del quemador para alterar la geometría de la flama.

Un quemador de antecrisol se divulga por la Publicación Internacional No. WO2011/154285, la cual es incorporada por referencia en su totalidad. En la Publicación WO2011/154285, un quemador de oxi-combustible se divulga para el uso con un antecrisol de un horno de fusión de vidrio. Sin embargo, el diseño divulgado tiene habilidad limitada para alterar la geometría de la flama y proporcionar uniformidad en el calentamiento.

Un arreglo de quemador de oxi-combustible, un sistema de combustión y método para enriquecer la combustión de un combustible inflamable con oxígeno que sea eficiente y reduzca o elimine el sobrecalentamiento de los componentes del quemador, reduzca o elimine el sobrecalentamiento del refractario en la pared opuesta , del horno, mientras que proporcione energía térmica de una manera que mantenga una temperatura homogénea por todo el canal de transporte del material fundido sería deseable en la técnica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona a un quemador de oxi-combustible que tiene un conducto de combustible que es circundado por un conducto de oxígeno. El quemador se dispone dentro de un precombustor tal que el mezclado entre el combustible y el gas de oxígeno que produce una flama de difusión confinada y protegida se incrementa para generar una flama de oxi-combustible acortada sin sobrecalentamiento de los componentes del quemador. La presente invención también se relaciona a un método para utilizar el arreglo de quemador inventivo para el uso en los canales de transporte para material fundido.

Un aspecto de la presente descripción incluye un arreglo de quemador de oxi-combustible. El arreglo de II quemador de oxi-combustible incluye un primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, D1/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2.0. El primer conducto se arregla y se dispone .para proporcionar una primera corriente de fluido, donde la primera corriente de fluido es un combustible inflamable. El arreglo de quemador además incluye por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, donde la segunda corriente de gas incluye oxigeno. Un precombustor se arregla y se dispone para recibir la primera corriente de fluido y la segunda corriente de gas donde se produce una flama de oxi-combustible. Una sección transversal de la abertura del precombustor a lo largo de su longitud es circular en forma. La geometría de la abertura de boquilla y la geometría de sección transversal del primer conducto son diferentes. La geometría del primer conducto de abertura de boquilla aumenta el arrastre del segundo gas, produciendo una flama acortada sin sobrecalentamiento de los componentes del quemador.

Otro aspecto de la presente descripción incluye un arreglo de quemador de oxi-combustible que comprende un primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, D1/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2.0 y/o una abertura de boquilla con por lo menos uno o una pluralidad de generadores en vórtice. El primer conducto se arregla y se dispone para proporcionar una primera corriente de fluido, donde la primera corriente de fluido es un combustible inflamable. El arreglo de quemador además incluye por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas. circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, donde la segunda corriente de gas incluye oxigeno. Un precombustor se arregla y se dispone para recibir la primera corriente de fluido y la segunda corriente de gas donde se produce una flama de oxi-combustible . Una sección transversal de por lo menos la salida del precombustor es asimétrica en forma donde el eje largo se alinea con la dirección de dispersión de los flujos de la boquilla. La geometría de la abertura de boquilla y la geometría en sección transversal del primer conducto son diferentes. La forma de la abertura del primer conducto de boquilla aumenta y estabiliza la dispersión de los flujos de gas conforme salen de la boquilla, produciendo una flama plana.

Otro aspecto de la presente descripción incluye un sistema de combustión de oxi-combustible que tiene por lo menos un arreglo de quemador de oxi-combustible. El arreglo de quemador de oxi-combustible incluye un primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, Di/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2.0 y/o una abertura de boquilla con por lo menos, uno o una pluralidad de generadores en vórtice. El primer conducto se arregla y se dispone para proporcionar una primera corriente de fluido, donde la primera corriente de fluido . es un combustible inflamable. El arreglo de quemador además incluye por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, donde la segunda corriente de gas incluye oxígeno. Un precombustor se arregla y se dispone para recibir la primera corriente de fluido y la segunda corriente de gas donde se produce una flama de oxi-combustible . La geometría de la abertura de boquilla y la geometría en sección transversal del primer conducto son diferentes. El sistema de combustión de oxi-combustible además incluye una zona de combustión que incluye un espacio cerrado, el espacio cerrado arreglado y dispuesto para recibir un material que es calentado o acondicionado .

Otro aspecto de la presente descripción incluye un método para producir una flama de oxi-combustible plana. El método incluye proporcionar un arreglo de quemador de oxi-combustible de un primero conducto, por lo menos un segundo conducto y un precombustor. El método también incluye proporcionar una primera corriente de fluido con el primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, Di/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2.0, y/o una abertura de boquilla con por lo menos uno o una pluralidad de generadores en vórtice, donde la primera corriente de fluido es un combustible inflamable. También se proporciona por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas circunfesencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, donde la segunda corriente de gas incluye oxigeno. Se proporciona un precombustor con por lo menos una sección transversal a la salida que es asimétrica en forma donde el eje largo se alinea con la dirección de dispersión de los flujos de la boquilla. Una flama de oxi-combustible se forma con la primera y segunda . corrientes de gas. La geometría de la' abertura de boquilla y la geometría en sección transversal del primer conducto son diferentes.

Otras características y ventajas de la presente invención serán evidentes de la siguiente descripción más detallada de la modalidad preferida, que ilustra, a manera de ejemplo, los principios de la invención. Las características de la presente invención se pueden utilizar solas o en combinación entre sí.

BREVE DESCRIPCIÓN DE VARIAS VISTAS DE LOS DIBUJOS Los Dibujos se proporcionan para ilustrar ciertos aspectos de la invención y no están dibujados a escala.

La FIG. 1 es un dibujo esquemático de un arreglo de quemador de oxi-combustible de acuerdo con una modalidad de la presente descripción.

La FIG. 2 es un dibujo esquemático del bloque de quemador que define un precombustor de acuerdo con una modalidad de la presente descripción con una geometría cilindrica .

La FIG. 3 es un dibujo esquemático del bloque de quemador que define un precombustor de acuerdo con otra modalidad de la presente descripción con una geometría cilindrica y acampanada.

La FIG. 4 es un dibujo esquemático de la vista lateral de un bloque de quemador que define un precombustor de acuerdo con otra modalidad de la presente descripción con una geometría en sección transversal asimétrica en la salida del precombustor.

La FIG. 5 es un dibujo esquemático de la vista superior de un bloque de quemador que define un precombustor de acuerdo con otra modalidad de la presente descripción con una geometría en sección transversal asimétrica en la salida del precombustor.

La FIG. 6 es un dibujo esquemático que ilustra un arreglo de quemador conocido visualizado en la dirección 2-2 de la FIG. 1.

La FIG. 7 es un dibujo esquemático que ilustra un arreglo de quemador de acuerdo con una modalidad de la presente descripción visualizado en la dirección 2-2 de la FIG. 1.

Las FIGs. 8-10 muestran dibujos esquemáticos que muestran geometrías de abertura de boquilla alternas no incluidas en la presente descripción visualizados en la dirección 2-2 de la FIG. 1.

Las FIGs. 11-13 muestran dibujos esquemáticos que muestran geometrías de abertura de boquilla de acuerdo con la presente descripción visualizados en la dirección 2-2 de la FIG. 1.

La FIG. 14 es un dibujo esquemático de un horno de fusión de vidrio que utiliza arreglos de quemador de oxi-combustible de acuerdo con la presente descripción.

Cada vez que sea posible, los mismos números de referencia serán utilizados para todos los dibujos para representar la misma parte.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente descripción ahora será descrita más completamente después en la presente con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales se muestra una modalidad preferida de la descripción. Esta descripción puede ser, sin embargo, incorporada en muchas formas diferentes y no debe ser considerada como limitada a las modalidades expuestas en la presente; más bien, estas modalidades se proporcionan de modo que esta descripción será exhaustiva y completa y expresará completamente el alcance de la descripción para aquellos expertos en la técnica.

Como se utiliza en la presente, el término "oxigeno" y variaciones gramaticales del mismo se refiere a un gas oxidante que tiene una concentración de O2 mayor que aquella de las condiciones atmosféricas y ambientales que incluyen aire enriquecido con oxigeno y oxigeno comercialmente disponible.

Como se utiliza en la presente, el término "combustión de oxi-combustible" , "oxi-combustible" y variaciones gramaticales de los mismos se refiere a la combustión de combustible en oxigeno. Aunque varias modalidades ilustran flamas en ubicaciones particulares, será apreciado que la ubicación de las flamas puede variar de las ilustraciones.

Como se utiliza en la presente, una "velocidad de caldeo baja" incluye un intervalo de caldeo de aproximadamente 4,000 Btu/h a aproximadamente 15,000 Btu/h. Una "velocidad de caldeo media" incluye un intervalo de caldeo de aproximadamente 12,000 Btu/h a aproximadamente 250,000 Btu/h. Una "velocidad de caldeo alta" incluye un intervalo de caldeo de aproximadamente 0.5 MMBtu/h a aproximadamente 2.0 MMBtu/h.

Como se utiliza en la presente, una flama "corta" o "acortada" significa una longitud de flama visible que se extiende dentro de una zona de combustión de un horno y cubre menos de cien por ciento de la zona de. combustión. Dependiendo del material que es calentado en el horno y la velocidad de caldeo del quemador y el tamaño del horno, la flama puede extenderse de aproximadamente 25 a aproximadamente 75 por ciento de la zona de combustión.

Como se utiliza en la presente, "geometría de flama plana", "flama plana", "geometría plana" y variaciones gramaticales de los mismos se proponen que significa una flama que tiene una geometría con una sección transversal que se alarga en una dimensión comparada a una dimensión perpendicular. La geometría de flama plana de preferencia incluye una geometría plana por toda la longitud de la flama.

Como se utiliza en la presente, un "generador en vórtice" incluye bordes de abertura de boquilla corrugados, lobulados o indentados que promueven la generación en vórtice controlada .

Los términos "arreglo de quemador" y "quemador" son equivalentes y definen un aparato de partes ensambladas para la combustión de una mezcla de combustible con oxígeno. El término "precombustor" se define como un espacio que recibe corrientes de gas para la combustión en la entrada y permite que estos gases y productos de combustión de oxi-combustible entren a la zona de combustión a través de la salida. El precombustor se puede formar o retro-aj ustar por ejemplo, por un bloque de quemador, un adaptador de bloque de quemador, un ensamblaje de piezas o una combinación de los mismos. El término "zona de combustión" se define como un espacio tal como un horno, corriente abajo del precombustor, en el cual las reacciones de combustión ocurren, por lo menos una de las cuales puede ser la reacción de un combustible que contiene carbono y/o hidrógeno con oxigeno para formar óxidos de carbono y/o agua y calor.

Los artículos indefinidos "un" y "uno" como se utilizan en la presente significan uno o más cuando se aplican a cualquier característica en las modalidades de la presente invención descrita en la especificación y las reivindicaciones. El uso de "un" y "uno" no limita' el significado a una sola característica a menos de que tal límite sea establecido específicamente. El artículo definido "el" que precede sustantivos singulares o plurales o frases sustantivas representa una característica especificada particular o características especificadas particulares y pueden tener una connotación singular o plural dependiendo del contexto en el cual se utiliza. El adjetivo "cualquiera" significa uno, alguno o todo indiscriminadamente de cualquier cantidad. El término "y/o" colocado entre una primera entidad y una segunda entidad significa uno de (1) la primera entidad, (2) la segunda entidad y (3) la tercera entidad y la segunda entidad.

La presente invención se relaciona ampliamente a quemadores de oxi-combustible y combustión de oxi-combustible. Puesto que los quemadores de oxi-combustible producen flamas con mayor temperatura que las flamas producidas por los quemadores de aire-combustible, los quemadores de oxi-combustible pueden suministrar más calor a la cámara de combustión que los quemadores de aire-combustible a la misma velocidad de caldeo. Los quemadores de oxi-combustible son 60% más eficientes que los quemadores de aire-combustible y pueden suministrar calor equivalente en la entrada como los quemadores de aire-combustible a una velocidad de caldeo sustancialmente inferior. La velocidad de caldeo inferior para los quemadores de oxi-combustible permiten la instalación de los quemadores en una configuración escalonada dentro del horno de fusión de material, tal como un horno de fusión de vidrio (ver por ejemplo, FIG. 14), donde la linea del centro del quemador de oxi-combustible en la pared opuesta de la cámara se monta equi-distante entre la linea del centro de los dos quemadores en la pared cercana de la cámara. La velocidad de caldeo máxima del quemador en la cámara se determina por la longitud de la flama de oxi-combustible, puesto que la flama comienza a afectar en la pared opuesta en el mismo punto. El arreglo de quemador de acuerdo con la presente descripción es ventajoso en que el quemador de oxi-combustible es capaz de operar a velocidades de caldeo más altas en hornos con espaciado de pared relativamente estrecho o en canales de distribución donde las flamas deben permanecer cerca a las paredes del. canal que un quemador de oxi-combustible de la técnica previa similarmente configurado con una geometría de abertura de boquilla de combustible circular. El sistema de la descripción actual tiene la ventaja adicional de producir una distribución de temperatura más homogénea en la cámara que un arreglo de quemador de oxi-combustible conocido.

La presente invención también se relaciona a un arreglo de quemador de oxi-combustible, un sistema de combustión de oxi-combustible y método para producir una flama de oxi-combustible acortada y/o plana. En particular, la presente invención se relaciona a un quemador de oxi-combustible que tiene un conducto de combustible que es circundado por un conducto de oxigeno que forma una flama ¾ acortada y/o plana. En una modalidad, la geometría de la abertura o boquilla de conducto de combustible es variado para producir una flama que tenga una configuración predeterminada, que incluye una flama plana.

En un aspecto de la invención, la flama de oxi-combustible se produce utilizando una abertura de boquilla (por ejemplo, 201 en la FIG. 7) que logra el efecto de una flama luminosa y puede reducir o eliminar el arrastre de contaminantes del horno perjudiciales en el primero y segundo conductos, bloque de quemador 111 o precombustor 103 (por ejemplo, como se muestra en la FIG. 1) . El arreglo de quemador de acuerdo con la presente invención puede proporcionar una flama adecuadamente acortada y/o plana para hacer el quemador operable a velocidad de caldeo relativamente alta dentro de los canales estrechos de un horno. La flama corta se puede producir al hacer la geometría de la abertura de boquilla de combustible no circular en forma. Además, la forma de abertura de boquilla de combustible no circular puede tener una relación dimensional (Di/D2) de mayor que o igual a aproximadamente 2.0, y típicamente, por lo menos 3.0 para exhibir las características de la flama deseada (ver por ejemplo la FIG. 7) . La abertura de boquilla de combustible de relación dimensional alta acoplada con el precombustor de sección transversal cilindrico (ver las FIGs. 2 y 3) produce una flama corta. Las aberturas de boquilla con relaciones dimensionales altas y/o generadores en vórtice tales como lengüetas delta (ver las FIGs. 7, 11-13) son útiles para producir flamas cortas y/o planas. La abertura de boquilla de combustible de relación dimensional alta con lengüetas delta opcionales acopladas con un precombustor que tiene una salida con una sección transversal asimétrica (FIGs. 4-5) produce flamas planas. La abertura de boquilla del primer conducto puede proporcionar una geometría que tiene características de generación en vórtice alargadas, asimétricas o controladas.

En otro aspecto de la invención, una ventaja de la geometría de abertura de boquilla de combustible no circular es que la temperatura del precombustor se puede reducir comparada con la temperatura del precombustor utilizando una boquilla de combustible de círculo o simétrica (a la misma velocidad de caldeo) . Una temperatura del precombustor inferior incrementa . la vida refractaria y la habilidad de la abertura de boquilla no circular que es operada a velocidades de caldeo inferiores que el quemador no circular para de esta manera hacer el diseño del quemador de abertura de boquilla no circular más flexible. La Tabla 3 (enseguida) lista ejemplos que muestran la diferencia entre la temperatura del precombustor para caldear los quemadores de las aberturas de boquilla circulares y no circulares a diferentes distancias de la cara caliente del quemador. La temperatura del precombustor para caldear el quemador con la abertura de boquilla no circular es típicamente menor que la temperatura del caldeo del quemador con la abertura de boquilla simétrica. La diferencia de temperatura es la más cercana a la punta del quemador (es decir, la región que es mucho más aislada de la influencia de la cara caliente) .

Contrario a las pruebas de flujo en frío de alta velocidad conocidas en la técnica, por ejemplo, por Zaman y Gutmark y colaboradores, las flamas generadas con el arreglo de quemador 100 de acuerdo con la presente descripción da por resultado inversión de eje y una flama plana. Por ejemplo, en contraste a la descripción en el articulo de Zaman que muestra que la dispersión del flujo debe corresponder a la dirección del lado largo de la ranura, el arreglo de quemador 100 inventivo presente demuestra inversión de eje y una flama plana. El arreglo de quemador 100, de acuerdo con la presente descripción, tiene una flama plana con la dimensión más larga que corresponde al lado corto (es decir, D2 en la FIG. 7) . Mientras que no se desea que sea limitado por alguna teoría o explicación, se cree que la geometría de la flama plana observada para los quemadores equipados con boquillas de combustible que tienen aberturas no circulares, de acuerdo con la presente descripción, es debido a la habilidad de la geometría de abertura para alterar la mezcla de gases dentro del precombustor . Las aberturas de boquilla 201 con relaciones dimensionales, Di/D2; menos de 2.0 no tienen suficiente de un efecto en la mezcla de gas para cambiar las características de la flama observada comparada con una abertura de boquilla de combustible circular. Las aberturas con relaciones dimensionales (Di/D2) en la abertura de boquilla 201 mayor que 2.0 incrementa la mezcla de gas dentro del precombustor, dando lugar a una flama más corta, plana. La altura o espesor de la porción visible de la flama observada de la ranura horizontalmente montada es más larga que la altura de la porción visible de la flama observada de la ranura verticalmente montada cuando se produce con un precombustor cilindrico. Esta altura de flama diferencial se observó horizontalmente al caldear dos quemadores lado a lado a la misma velocidad de caldeo con una abertura de combustible de ranura montada en la orientación horizontal y una abertura de combustible de ranura montada en la posición vertical, la altura de la sección . luminosa de la flama es más grande para la orientación de ranura horizontal que la orientación de ranura vertical, perpendicular al eje largo de la ranura. También se cree que la inversión de eje y la flama plana resultante da por resultado las temperaturas de bloque inferiores medidas dentro del precombustor para la abertura de boquilla de ranura.

En un aspecto de la invención, el quemador se emplea en el antecrisol de un horno fusión de vidrio a una velocidad de caldeo baja. En tal aspecto, es deseable para el quemador tener una flama corta. La longitud y geometría de flama proporcionadas por la invención actual puede proporcionar flamas de oxi-combustible de alta luminosidad (por ejemplo como se utiliza en la manufactura de fibra de vidrio) , que no afecta en o sobrecalienta la pared opuesta de los canales de antecrisol de vidrio estrechos. La longitud de flama corta proporcionada por la invención actual también es útil para proporcionar flamas que concentran calor cerca de las paredes del antecrisol para prevenir rehervir el material fundido más caliente en el centro de los canales de longitud más grandes . La geometría de la flama plana permite calentamiento sustancialmente uniforme sobre un área más grande. En otras modalidades, la geometría de la flama plana permite una reducción del número de quemadores en el sistema de combustión.

En otros aspectos de la invención, los conductos de combustible y oxígeno pueden terminar en la misma ubicación dentro del precombustor, o la boquilla de combustible puede terminar en una ubicación diferente que el punto de terminación del conducto de oxígeno. En un aspecto, el conducto de oxígeno se extiende más allá del conducto de combustible y forma una porción del precombustor. En otro aspecto, los conductos de combustible y oxígeno se pueden ajusfar con un adaptador para facilitar la instalación en un bloque de quemador de aire-combustible para una instalación retroajustada . En otros aspectos de la invención, el arreglo de quemador proporciona una temperatura del precombustor inferior que reduce o elimina el daño al bloque de quemador.

Con referencia ahora a las Figuras, la FIG. 1 muestra una ilustración esquemática de un arreglo de quemador de oxi-combustible 100. El arreglo de quemador de oxi-combustible 100 incluye la sección de boquilla de quemador 101, un precombustor 103 y una zona de combustión 105. La sección de boquilla de quemador 101 incluye porciones de entrada de quemador 106 y 107, que incluye un primer conducto 108 y un segundo conducto 109 circunferencialmente dispuesto alrededor del primer conducto 108. El segundo conducto 109 puede ser un conducto continuo individual o abierto o puede ser una pluralidad de conductos, boquillas u orificios. En la modalidad mostrada en la FIG. 1, el precombustor 103 se define por el bloque de quemador 111 y recibe una primera corriente de fluido 113 y una segunda corriente de gas 115 del primero y segundo conductos 108, 109. En otras modalidades, el precombustor 103 se puede formar por una porción del segundo conducto 109 y una porción del bloque de quemador 111. El precombustor 103 puede tener una geometría cilindrica con un diámetro constante o una geometría cilindrica con una sección de diámetro constante acoplada a una sección acampanada (por ejemplo, acoplada por la vía de un área inclinada o ahusada) . El precombustor 103 así no se limita y puede tener cualquier geometría adecuada para recibir las corrientes de gas de la sección de boquilla de quemador 101. En una modalidad, el precombustor 103 incluye una geometría con una geometría cilindrica en la entrada y una sección transversal asimétrica en la salida, alineado con la dirección de dispersión de los flujos de los conductos 108, 109 que reciben la geometría de flama correspondiente (ver por ejemplo las FIGs. 7 y 11-13) .

La sección de boquilla de quemador 101 proporciona una primera corriente de fluido 113 y una segunda corriente de gas 115 al precombustor 103. La primera corriente de fluido 113 es un combustible inflamable. El combustible inflamable es cualquier combustible adecuado capaz de la combustión adecuada para calentar material fundido, tal como vidrio. Los combustibles inflamables adecuados incluyen, pero no están limitados a, hidrocarburo gaseoso, tal como gas natural, metano o propano, monóxido de carbono, gas que contiene hidrógeno, tal como gas que tiene menos de 50% en volumen de hidrógeno y combinaciones de los mismos. En otras modalidades, los combustibles inflamables líquidos tales como aceite combustible, aceite de calentamiento, aceite residual, suspensiones y los similares también se pueden utilizar. La segundo corriente de gas 115 es un gas que contiene oxígeno que tiene concentraciones de oxígeno que varían de mayor que 20.9% en volumen (aire) a mayor que 99.5% en volumen (oxígeno de alta pureza) . El gas que contiene oxígeno de preferencia incluye mayor que o igual a aproximadamente 50% en volumen de oxígeno o mayor que 80% en volumen de oxígeno.

Se proporcionan la primera corriente de fluido 113 y la segunda corriente de gas 115 de una manera que logran una flama de difusión turbulenta de dos fases dentro del precombustor mientras que mantiene la temperatura de la pared del precombustor muy abajo de la temperatura de la flama de oxi-combustible . El flujo de la primera corriente de fluido 113 y la segunda corriente de gas 115 en el precombustor de acuerdo con la presente descripción puede reducir o eliminar el sobrecalentamiento del bloque de quemador 111 u otros componentes del arreglo de quemador 100. El sobrecalentamiento de los componentes incluye exposición a temperaturas significantemente más altas que la . temperatura de una flama de aire-combustible. Las temperaturas que dan por resultado el sobrecalentamiento son suficientemente altas que, por ejemplo, la exposición a estas temperaturas podría dañar o fundir el material refractario del bloque de quemador 111 o los otros componentes del arreglo de quemador 100. Desde el precombustor 103, se proporcionan la primera corriente de fluido 113 y la segunda corriente de gas 115 a la zona de combustión 105. Se proporciona una fuente de ignición (no mostrada) para iniciar la combustión y forma la flama 119. La flama 119 no está limitada a la geometría o la posición mostrada e incluye combustión de la mezcla de la primera corriente de fluido 113 con el oxígeno de la segunda corriente de gas 115. La flama 119 puede iniciar en el precombustor 103 y extenderse en la zona de combustión 105. El precombustor 103 tiene una geometría que corresponde a la geometría de flama formada para minimizar o eliminar el daño de la incidencia y/o sobrecalentamiento del material del precombustor 103.

Con referencia ahora a la Figura 2, la FIG. 2 es un dibujo esquemático de un arreglo de quemador 100 con bloque de quemador 111 acoplado con el segundo conducto 109 que da lugar al precombustor cilindrico recto 103, de acuerdo con una modalidad de la presente descripción.

Con referencia ahora a la Figura 3, la FIG. 3 es un dibujo esquemático de un arreglo de quemador 100 con bloque de quemador 111 acoplado con el segundo conducto 109, que da lugar a la recta seguida por el precombustor cilindrico acampanado 103, de acuerdo con otra modalidad de la presente descripción. Además, el arreglo de quemador 100 mostrado en las Figuras 2 y 3 incluye una relación de longitud a diámetro del precombustor definida, L/D, en donde L es la longitud de un precombustor de canal recto (cilindrico) y D es el diámetro del precombustor de canal recto. La relación de longitud a diámetro del precombustor, L/D, es de preferencia mayor que o igual a aproximadamente 2.0 o mayor que o igual a aproximadamente 3.0. En un aspecto de la invención, la L/D es menor que aproximadamente 6 o menor que aproximadamente 5.0.

Con referencia ahora a las Figuras 4 y 5, la FIG. 4 y FIG. 5 son dibujos esquemáticos de una vista lateral y vista superior, respectivamente, de un arreglo de quemador 100 con bloque de quemador 111 acoplado con el segundo conducto 109 que da lugar al precombustor 103, de acuerdo con otra modalidad de la presente descripción. El precombustor 103 en esta modalidad tiene una geometría en sección transversal asimétrica en la salida con Ll que es el lado largo y L2 el lado corto de la abertura de canal del precombustor . La relación dimensional, L1/L2, e la sección transversal de la salida del precombustor es de preferencia mayor que o igual a aproximadamente 2.0 o mayor que o igual a aproximadamente 3.0. El arreglo de quemador en las FIGs . 4 y 5 se arreglan para recibir una flama plana formada, por la sección de boquilla de quemador 101. La orientación del lado largo de la sección transversal de la abertura de canal de salida del precombustor se arregla tal que la dimensión más larga Ll se arregla paralela a la porción plana de la flama.

En otro aspecto de la invención, un quemador tipo retroajuste se puede formar utilizando un primero y segundo conducto 108 y 109 con el segundo conducto 109 acoplado con el bloque de quemador 111 que da lugar al precombustor 103 tal que el segundo conducto 109 se extiende a una pasada distancia del primer conducto 107. Tal extensión se puede proporcionar, por ejemplo, para ajustar un bloque de quemador 111 existente. El arreglo de quemador 100, de acuerdo con la presente descripción, permite la operación del quemador tal que la porción extendida del segundo conducto 109 no se daña debido al mezclado inhibido del combustible y oxígeno.

Con referencia ahora a la Figura 6, la FIG. 6 ilustra una configuración de la cara del quemador de abertura concéntrica conocida 100 mostrada en la dirección 2-2 de la FIG. 1. En esta modalidad, la cara es esa de un quemador tipo anular. El primer conducto 108, el cual proporciona la primera corriente de fluido 113, se circunda por un segundo conducto 109 continuo que proporciona la segunda corriente de gas 115 que incluye oxigeno. El segundo conducto se circunda por una sección cilindrica del refractario 111 para posicionar el quemador. La cara del arreglo de quemador 100 incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con una geometría de círculo.

Con referencia ahora a la Figura 7, la FIG. 7 ilustra una configuración de la cara del quemador de abertura concéntrica 100 mostrada en la dirección 2-2 de la FIG. 1, de acuerdo con una modalidad de la presente descripción. En esta modalidad, la cara es esa de un quemador tipo anular. El primer conducto 108, el cual proporciona la primera corriente de fluido 113, se circunda por un segundo conducto 109 continuo que proporciona la segunda corriente de gas 115 que incluye oxígeno. El segundo conducto se circunda por una sección cilindrica del refractario 111 para posicionar el quemador. La cara del arreglo de quemador 100 incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con una geometría de ranura. La geometría de abertura de boquilla 201 y la geometría en sección transversal del primer conducto 108 son diferentes. En una modalidad, el primer conducto 108 tiene una geometría en sección transversal de círculo e inyecta combustible a través de la abertura de boquilla 201 que tiene una geometría de ranura. En ciertas modalidades, la geometría de la abertura de boquilla 201 incluye una relación dimensional, D1/D2, tal que Di/D2= 2.0 o Di/D2= 3.0 o D!/D2= 4.0. El arreglo de quemador 100 que incluye la abertura de boquilla 2?1 que tiene la relación dimensional de mayor que o igual a aproximadamente 2.0 que da por resultado una flama acortada y/o plana.

Con referencia ahora a las Figuras 8 hasta 13, las FIGs. 8-13 ilustran configuraciones de cara del quemador para el arreglo de quemador 100 sustancialmente como se muestra y se describe en lo anterior con respecto a las FIGs. 6 y 7. La FIG. 8 ilustra la cara del quemador que incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con una geometría "muñeco de nieve". La FIG. 9 ilustra la cara del quemador que incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con una geometría "trébol". La FIG. 10 ilustra la cara que incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con una geometría "cruzada". Como se muestra en las FIGs. 8-10, la geometría muñeco de nieve, la geometría de trébol y la geometría cruzada tiene una relación dimensional (Di/D2) menor que 2.0. Las FIGs. 8-10 muestras varias geometrías para la abertura de boquilla 201 que no están de acuerdo con esta invención, puesto que Di/D2 <2. O y las flamas acortadas no se producen del arreglo de quemador con un precombustor cilindrico. Las FIGs. 11-13 ilustran configuraciones de cara del quemador para el arreglo de quemador 100 sustancialmente como se muestra y se describe con respecto a las FIGs. 6 y 7. La Figura 11 ilustra la cara del quemador que incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con dos medios circuios. La abertura de la FIG. 11 es un aspecto de la presente invención, puesto que Di/D2 de un' medio circulo > 2.0 y flamas acortadas se producen del arreglo de quemador con un precombustor cilindrico .

Las FIGs. 12-13 ilustran la cara del quemador que incluye un primer conducto 108 que tiene abertura de boquilla 201 con D1/D2 > 2.0 y generadores en vórtice 205 posicionados en los bordes largos. Los generadores en vórtice de forma triangular 205 utilizados en la FIG. 12 se llaman lengüetas Delta. La abertura de boquilla 201 en forma de ranura con los generadores en vórtice 205 son ranuras designadas con lengüetas Delta. La FIG. 13 ilustra una abertura de boquilla 201 con generadores en vórtice en forma cuadrada 205, designada una geometría de 'cremallera' . Los generadores en vórtice no se limitan a los aspectos de la invención ilustrados en las FIGs. 12 y 13, y se pueden utilizar como es deseado para controlar y modificar el flujo de gases que salen de una boquilla.

Las geometrías de abertura de boquilla ilustradas en las FIGs. 12-13 son aspectos de la presente invención y producen flamas planas cuando se acoplan con un precombustor que tiene una sección transversal de salida asimétrica. Para formar la flama plana de acuerdo con la presente descripción, la geometría de abertura de boquilla de combustible no circular tiene una relación dimensional (Di/D2) de mayor que o igual a aproximadamente 2.0 y por lo menos uno pero de preferencia por lo menos dos generadores en vórtice. Mientras que las geometrías específicas de las FIGs. 8-10 se muestran como que tienen una relación dimensional (Di/D2) menor que 2.0, se nota que las geometrías tienen una configuración similar de acuerdo con la presente descripción, tal como muñeco de nieve alargado, o cruces aplanados en donde la abertura de boquilla 201 tiene una geometría con una relación dimensional (Di/D2) de mayor que o igual a aproximadamente 2.0 sería un aspecto de la invención actual, produciendo una flama acortada cuando se acopla con un precombustor cilindrico. De manera similar, si las aberturas de boquilla mencionadas en lo anterior con Di/D2 > 2.0 se proporcionaron con generadores en vórtice, una flama plana sería producida cuando se acopla con un precombustor que tiene una sección transversal de salida asimétrica. Hay suficiente dispersión de flujos de las aberturas de boquilla con Di/D2 >2.0 para producir flamas planas cuando se acoplan con los precombustores que tienen selección transversal de salida asimétrica. Las flamas planas producidas por las aberturas de boquilla con Di/D2 > 2.0 generalmente tienen una relación dimensional inferior que las flamas planas producidas de aberturas de boquilla con Di/D2 > 2.0 y generadores en vórtice .

Con referencia ahora a la Figura 14, la FIG. 14 muestra un horno de fusión de vidrio 800 que utiliza arreglos de quemador de oxi-combustible 100 de acuerdo con la presente descripción. Mientras que los arreglos de quemador de oxi-combustible 100 se muestran por todo el horno de fusión de vidrio 800, cualquier combinación o cualquier número de arreglo de quemador de oxi-combustible 100 se puede utilizar, que incluye combinaciones en donde los arreglos de quemador de oxi-combustible 100 se utilizan en secciones o ubicaciones solamente seleccionadas del horno de fusión de vidrio. El horno de fusión de vidrio 800 incluye una serie de cargadores dé lotes 801 que el material de carga para formar un vidrio a un fundidor 811. Los regeneradores 803 alimentaron aire al arreglo de quemador de combustible 100 que forma flamas 119 que calientan y funden el material, de lote, el material fundido que fluye a través del fundidor 811 en dirección 812. Desde el fundidor 811, el vidrio fluye a una refinador opcional 813 donde los arreglos de quemador 100 adicionales proporcionan calor al vidrio fundido para refinar además la fusión de vidrio. Desde el refinador 813, el vidrio se proporciona a un canal 814, donde el vidrio se enfria o se calienta, pero generalmente se enfria, a la temperatura promedio apropiada requerida para el tipo de vidrio que se hace. El vidrio fundido fluye desde el canal en el antecrisol 815, donde la temperatura el vidrio se mantiene y se ecualiza para ecualizar la viscosidad del vidrio antes de que sea transportado a los formadores 807. El antecrisol 815 incluye arreglos de quemador de oxi-combustible 100 para mantener una temperatura mientras que es transportado al equipó de formación de vidrio 807. El vidrio en el antecrisol 815 de preferencia se mantiene a una temperatura uniforme. El equipo de formación 807 transforma el vidrio en el producto deseado, por ejemplo, un recipiente o fibra.

Ejemplos Ciertos aspectos de la invención son ilustrados por los siguientes Ejemplos. Estos Ejemplos no limitan el alcance de las reivindicaciones adjuntas a los mismos.

Ejemplo 1 Este Ejemplo evalúa el efecto de la geometría de abertura de boquilla de combustible en la flama producida del ensamblaje de quemador en la Fig. 1 con un precombustor cilindrico utilizando aberturas de boquilla de combustible mostradas en las FIGs. 6-11. El quemador se encendió mientras que es equipado con cada una de las aberturas de boquilla de combustible en un solo modo de prueba de quemador a una velocidad de caldeo de 20,000 Btu/h en una caja revestida de refractario. Las pruebas del quemador de este ejemplo utilizaron una longitud/diámetro del precombustor cilindrico (L/D) de 6. Los resultados de la evaluación se muestran enseguida en la Tabla 1.

Tabla 1 Los resultados de estas pruebas de caldeo de un solo quemador muestran que cambiando la geometría de abertura de boquilla de combustible no tiene efecto en las flamas producidas por este quemador si la abertura tiene una relación dimensional de 1.8 o menos. Sin embargo, si la abertura de boquilla de combustible tiene una relación dimensional mayor que 1.8, la longitud de la flama es acortada. Este efecto de acortamiento de flama se observó en dos diferentes relaciones de velocidad de combustible/oxígeno para aberturas de boquilla de alta relación dimensional, que indican que el cambio en la longitud de flama se controla por la geometría de abertura de boquilla antes que la relación de velocidad de combustible a velocidad de oxígeno.

Ejemplo 2 El Ejemplo 2 es una evaluación de las características de flama para un caldeo de quemador con una abertura de boquilla de combustible de Círculo (simétrico) y un caldeo de quemador con una Ranura (no circular) (mostrado en las FIGs. 6-7), en configuraciones de quemador individual y múltiple en una caja revestida de refractario. El L/D del precombustor cilindrico para estas pruebas fue 6. Las longitudes de flama visibles se dan en la Tabla 2 (enseguida) . Las longitudes de flama visibles para ambas geometrías de abertura de boquilla de combustible acortadas cuando los quemadores se encendieron en una configuración de quemador múltiple como es comparado con una configuración de quemador individual. La geometría de abertura de boquilla no circular produjo una flama más corta que la geometría de abertura de boquilla simétrica en ambas de las configuraciones de caldeo de quemador individuales y múltiples. Dos diferentes velocidades de caldeo se probaron en la configuración de quemador múltiple. La geometría de abertura de boquilla no circular produjo una flama más corta que la geometría de abertura de boquilla simétrica en ambas velocidades de caldeo. La geometría del precombustor influencia la longitud de la flama visible producida por este quemador. La flama visible producida por el quemador con la abertura de boquilla no circular con un precombustor acampanado es más larga que la flama visible producida por el quemador con la abertura de boquilla no circular con un precombustor cilindrico. De hecho, la longitud de la flama visible producida por la configuración de boquilla no circular/precombustor acampanado es comparable a la longitud de flama visible producida por la configuración de boquilla circular/precombustor cilindrico .

Tabla 2 4 ! Ejemplo 3 El Ejemplo 3 es una evaluación de la temperatura de la pared del precombustor en varias distancias de la salida del precombustor para caldear quemadores con aberturas de boquilla de combustible simétricas y no circulares de las FIGs. 6 y 7 (TCl es más cercano a la salida del precombustor, TC2 es alejado de la salida del precombustor que TCl y TC3 es el más lejano de la salida del precombustor) . Las temperaturas se registraron después de caldear cuatro quemadores en una caja revestida de refractario a 15,000 Btu/h por quemador durante 4.75 hr, para lograr el equilibrio térmico. El intervalo de temperatura del piso es la diferencia entre la temperatura máxima y mínima registrada de cuatro termopares colocados en intervalos regulares en todo y una altura de una pulgada por arriba del piso de la caja revestida de refractario. Las temperaturas del piso representan la temperatura del material fundido.. Los resultados de la evaluación se muestran en la Tabla 3 enseguida.

Tabla 3 Boquilla de Combustible de Boquilla de Combustible de ?? Circulo Circulo (equilibrado 4 75 Ranura (equilibrado 4 75 menos Ranura horas ) horas ) (°C) Tabla 3 muestra que las flamas producidas po los quemadores de abertura de boquilla tanto simétrica como no circular crea la misma distribución de temperatura a lo largo del piso de la caja utilizando esta configuración de caldeo de 4 quemadores, como es evidenciado por los intervalos de termopar de piso similares registrados para las dos pruebas. Las temperaturas registradas a lo largo de la pared del precombustor para las dos pruebas no son las mismas. Inesperadamente, la temperatura de pared del precombustor para la flama de boquilla no circular es siempre inferior que la temperatura de pared del precombustor para la boquilla simétrica. Aun más sorprendente es que la diferencia de temperatura de pared del precombustor entre los dos tipos de flamas es la más grande en puntos más lejanos de la salida del precombustor, donde los afectos de radiación de la cámara son los más bajos. El quemador de boquilla no circular se pretende para producir flamas más cortas al aumentar el mezclado entre el combustible y el oxidante. Este mezclado aumentado se espera que genere inadecuadamente altas temperaturas dentro del precombustor. En la práctica, la temperatura de pared del precombustor es actualmente inferior a la boquilla que promueve el mezclado que la boquilla con niveles inferiores de combustible y oxidante mezclado. Las temperaturas del precombustor reducidas son una ventaja significante para el quemador de boquilla no circular, puesto que las temperaturas inferiores conducen a una vida de servicio más grande para un quemador de operación más fría.

Ejemplo 4 El Ejemplo 4 es una evaluación del efecto del L/D del precombustor cilindrico, en donde L es la longitud del precombustor cilindrico y D es el diámetro del precombustor cilindrico (mostrado en la FIG. 2 y 3) en la temperatura de pared del precombustor en una configuración de prueba de quemador individual. Los resultados de la evaluación se muestran en la Tabla 4 enseguida. El efecto de L/D en las características de la flama es una función de la velocidad de caldeo y tipo abertura de boquilla. En general y sin desear que sea limitado por alguna teoría o explicación, la L/D más pequeña conduce a flamas de momento inferior y luminosidad de flama más alta. El momento de flama bajo para aberturas de boquilla simétricas conduce a puntos calientes en el precombustor, puesto que se cree que la flama de momento bajo tiende a orientarse hacia el techo de la caja a la salida del precombustor para de esta manera conducir a la incidencia de flama parcial. Las aberturas de boquilla simétricas típicamente emplean L/D del precombustor mayor que 3 y menor que 7 para producir flamas sin sobrecalentamiento al precombustor. Las aberturas de boquilla no circulares se comportan similarmente a las aberturas de boquilla simétricas, con intervalo de L/D de aproximadamente 3 a menos de 7 para inhibir, y en la mayoría de los casos, prevenir el sobrecalentamiento del precombustor. Las boquillas no circulares con generadores en vórtice requieren pre-combustores cilindricos con L/D más pequeños, puesto que la dispersión de flujo causada por los generadores en vórtice puede crear puntos calientes en el precombustor en L/D más grandes. Las boquillas con generadores en vórtice típicamente emplean una L/D del precombustor cilindrico de aproximadamente 1 a aproximadamente 3'. Los valores L/D de la abertura de boquilla simétrica de aproximadamente 3 a menos de 7 son útiles para boquillas no circulares con generadores en vórtice cuando la sección transversal de la salida del precombustor es asimétrica. La sección transversal de la salida asimétrica proporciona espacio para la dispersión de flujo y reduce, si no elimina, la incidencia de flama en la L/D más grande. Para mantener un momento de flama favorable, el área de sección transversal de la salida asimétrica va a ser típicamente en el orden de 100 veces el área de la abertura de boquilla asimétrica.

Tabla 4 ?Precombustor con sección transversal de salida asimétrica Ejemplo 5 El Ejemplo 5 es una evaluación de las temperaturas registradas en varias ubicaciones dentro de una caja revestida de refractario para quemadores qué caldean diferentes geometrías de abertura de boquilla de combustible con precombustores cilindricos en un intervalo de velocidades de caldeo, distancia de pared a pared y ya sea caldeo de quemador individual o dos configuraciones de caldeo de quemador. La distancia de pared. a pared es la distancia entre la cara de bloque y la pared opuesta de la caja. La temperatura del piso opuesta es la temperatura medida de 2.54 cm (1 pulgada) por abajo del piso de la caja en la pared opuesta del quemador. La temperatura de la pared opuesta es la temperatura de la pared opuesta del quemador a la misma altura como la linea de centro del precombustor . La temperatura de la pared opuesta da una indicación de la incidencia de flama. La temperatura del piso opuesta menos la pared opuesta da una indicación de la homogeneidad de la distribución de temperatura para la configuración del quemador.

Tabla 5 *Configuración de caldeo de dos quemadores La Tabla 5 muestra temperaturas de piso opuesto y pared opuesta en la caja revestida de refractario cuando la caja se calienta con un solo quemador o dos quemadores como una función de la geometría de abertura de boquilla de combustible y velocidad de caldeo. Un efecto de la abertura de boquilla de combustible no circular comparada con la abertura de boquilla de combustible simétrica a velocidades, de caldeo medio se demuestra por el hecho que las pruebas de boquilla no circulares siempre muestran temperaturas de pared opuesta inferiores que las prueba de boquilla simétrica. La reducción en ?? entre las boquillas simétricas y no circulares es más pronunciada a velocidades de caldeo más altas, (58°C a 3.7Nm3/h de Gas Natural). Si la temperatura del piso corresponde a la temperatura del material fundido, esto indica que la velocidad de caldeo máxima para el quemador con la abertura de boquilla de combustible no circular es significantemente más alta que la velocidad de caldeó máxima para el quemador con la abertura de boquilla de combustible simétrica en aplicaciones donde la velocidad de caldeo máxima se dicta por el ancho de la cámara o canal de distribución. El ancho del canal estrecho típicamente significa que la velocidad de caldeo máxima se alcanza cuando la incidencia de flama eleva la temperatura refractaria de la pared opuesta a su valor de trabajo máximo. Las longitudes de la flama más cortas permiten que la invención actual logre temperaturas del material fundido más altas o velocidades de producción más altas del producto terminado que los quemadores de la técnica previa'.

Una ventaja de la abertura de boquilla de combustible no circular comparada con la abertura de boquilla de combustible simétrica a velocidades de caldeo medio es el hecho que las pruebas de boquilla no circulares siempre muestran temperaturas del piso opuesto menos la pared opuesta inferior. La distribución de temperatura más homogénea dentro de la caja para el quemador con la boquilla no circular comparada con el quemador con la boquilla circular se espera que conduzca a una temperatura de material fundido más homogénea. Por lo tanto, el quemador de esta invención proporciona mejoramiento en la calidad del producto sobre los quemadores de la técnica previa.

Ejemplo 6 El Ejemplo 6 es una evaluación de la temperatura en la caja revestida de refractario cuando la caja se calienta con quemadores que tienen diferentes geometrías de abertura de boquilla de combustible con precombustores cilindricos a diferentes velocidades de caldeo y el caldeo ya sea solo o dos quemadores a un tiempo.

Tabla 6 Tabla 6 muestra intervalos de temperatura de piso (temperatura máxima menos temperatura mínima) de cuatro termopares de piso en la caja como una función del caldeo del número de quemadores, velocidad de caldeo y la abertura de boquilla de combustible. El intervalo de temperatura de piso es la diferencia entre la temperatura máxima y mínima registrada de cuatro termopares colocados en intervalos 'regulares en todo y una altura de una pulgada por abajo del piso de la caja revestida de refractario. Las temperaturas de piso representan la temperatura del material fundido. Una vez más, las pruebas de quemador de boquilla no circular muestra menor intervalo de temperatura de piso que el quemador de boquilla simétrica, con el efecto más pronunciado a velocidades de caldeo más altas. Este es otro ejemplo de la homogeneidad de temperatura superior del espacio de calentamiento producido por el quemador de abertura de boquilla de combustible no circular comparado con el quemador de abertura de boquilla de combustible simétrico en caldeo medio. La creación de una distribución de temperatura más homogénea con el quemador de boquilla no circular comparado con el quemador de boquilla simétrico se espera que conduzca a una temperatura de material fundido más homogénea. Por lo tanto, el quemador de esta invención proporciona mejoramiento de la calidad del producto terminado significante sobre los quemadores de la técnica previa.

Ejemplo 7 El Ejemplo 7 es una evaluación de las características de flama para diferentes geometrías de abertura de boquilla de combustible y número de quemadores.

Dos boquillas con diferentes generadores en vórtice de tamaño se fabricaron y se probaron para determinar si los patrones de flujo generados de esta geometría de abertura de boquilla producirían flamas planas cuando se calientan a baja velocidad en un espacio confinado similar a un precombustor .

Los bloques de quemador especiales se diseñaron para crear los precombustores para las flamas generadas por estas boquillas para permitir que las flamas se propaguen así como proporcionar una transición lisa de la forma de cilindro del quemador a la sección transversal no cilindrica de la abertura del precombustor en la cara caliente. La Tabla 7 muestra los resultados para las flamas generadas como una función del tipo de abertura de boquilla de combustible.

Tanto la boquilla de ranura como la boquilla de ranura fabricada con las lengüetas delta pequeñas (ranura con lengüetas delta pequeñas) exhibieron inversión del eje. El eje largo de la flama estuvo en la dirección opuesta al eje largo de la abertura de boquilla. La inversión del eje fue inesperada, puesto que los. resultados de flujo en frío de alta velocidad reportados por Zaman para estas geometrías de abertura no se sometieron a inversión del eje. La configuración de boquilla de ranura delta para este Ejemplo se arregló similar a las "lengüetas" divulgadas en el artículo "Axis Switching and Spreading of an Asymmetric Jet: The Role of Coherent Structure Dynamics" por Zaman. La boquilla de ranura delta fabricada con las lengüetas delta más grandes (ranura con lengüetas delta grandes) no exhibieron inversión del eje. Todas las flamas exhibieron algún grado de asimetría consistente con la cobertura de flama más alta proporcionada por una flama plana.

Tabla 7 *Ancho/Altura es el ancho y la altura de la flama visible; Para todas las aberturas Dl/D2>2 **E1 Espacio más estrecho . se mide en la abertura más estrecha en la boquilla Mientras que la invención se ha descrito con referencia a ciertas modalidades, será entendido por aquellos expertos en la técnica que varios cambios se pueden hacer y equivalentes se pueden sustituir por elementos de los mismos sin apartarse del alcance de la invención. Además, muchas modificaciones se pueden hacer para adaptar una. situación particular o material a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se propone que la invención no sea limitada a la modalidad particular divulgada como el mejor modo contemplado para llevar a cabo esta invención, sino que la invención incluirá todas las modalidades que caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un arreglo de quemador de oxi-combustible, caracterizado porque comprende: un primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, Di/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2.0, el primer conducto que es arreglado y dispuesto para proporcionar una primera corriente de' fluido, la primera corriente de fluido que es un combustible inflamable; por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, la segunda corriente de gas que incluye oxigeno; y un precombustor arreglado y dispuesto para recibir la primera corriente de fluido y la segunda corriente de gas donde se produce una flama de oxi-combustible; en donde la geometría de la abertura de boquilla y la geometría de sección transversal del primer conducto son diferentes.

2. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la abertura de boquilla tiene una relación dimensional, Di/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 3.0.

3.' El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el arreglo de quemador tiene un intervalo de caldeo de aproximadamente 0.5 MMBtu/hora a aproximadamente 2.0 M Btu/hora.

4. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo conducto se extiende por una distancia mayor que el primer conducto y forma una porción del precombustor .

5. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la geometría de la abertura de boquilla es rectangular y la geometría de sección transversal del primer conducto es circular.

6. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la geometría de la abertura de boquilla comprende dos medios círculos.

7. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la abertura de boquilla incluye generadores en vórtice.

8. El arreglo de quemador de conformidad con. la reivindicación 1, caracterizado porque el precombustor tiene una geometría cilindrica que tiene una geometría en sección transversal de óvalo orientada verticalmente .

9. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el precombustor tiene una geometría cilindrica que tiene una geometría en sección transversal de óvalo orientada horizontalmente .

10. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el arreglo de quemador tiene un intervalo de caldeo de menos de aproximadamente 250,000 Btu/hora.

11. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el arreglo de quemador tiene un intervalo de caldeo de aproximadamente 12,000 Btu/hora a aproximadamente 250,000 Btu/hora.

12. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el precombustor tiene una geometría en sección transversal que incluye una relación dimensional, D1'/VD2', de mayor que 2.0.

13. El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la relación de longitud a diámetro del precombustor es mayor que o igual a aproximadamente 2.0 y menor que aproximadamente 6.0.

1 . El arreglo de quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la relación dimensional, L/D, del primer conducto es mayor que o igual a aproximadamente 3.0 y menor que aproximadamente 5.0.

15. Un sistema de combustión de oxi-combustible , caracterizado porque comprende: por lo menos un arreglo de quemador de oxi-combustible que comprende : un primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, Di/D2, de mayor que o igual a aproximadamente 2, el primer conducto que es arreglado y dispuesto para proporcionar una primera corriente de fluido, la primera corriente de fluido que es un combustible inflamable; por lo menos un segundo conducto arreglado y dispuesto para proporcionar una segunda corriente de gas circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido, la segunda corriente de gas que incluye oxigeno; y un precombustor arreglado y dispuesto para recibir la primera corriente de fluido y la segunda corriente de gas donde se produce una flama de oxi-combustible; en donde la geometría de la abertura de boquilla y la geometría en sección transversal del primer conducto son diferentes; y una zona de combustión que incluye un espacio cerrado, el espacio cerrado arreglado y dispuesto para recibir un material que es calentado.

16. El sistema de combustión de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la zona de combustión comprende un horno de vidrio que comprende una zona de fusión y antecrisol en donde el quemador de oxi-combustible se localiza en el antecr-isol y en posición para extender una flama en el antecrisol.

17. El sistema de combustión de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la zona de combustión comprende un horno de vidrio que comprende una zona de fusión y un canal en donde el quemador de oxi-combustible se localiza en el canal y en posición para extender una flama en el canal.

18. Un método para producir una flama de oxi-combustible plana, caracterizado porque comprende: proporcionar un arreglo de quemador de oxi-combustible, un primer conducto, por lo menos un segundo conducto y un precombustor; proporcionar una primera corriente de fluido con el primer conducto que tiene una abertura de boquilla con una relación dimensional, D1/D2, de mayor que- o igual a aproximadamente 2.0, la primera corriente de fluido que es un combustible inflamable; y proporcionar una segunda corriente de gas circunferencialmente alrededor de la primera corriente de fluido con el por lo menos un segundo conducto, la segunda corriente de gas que incluye oxigeno; formar una flama de oxi-combustible en un precombustor con la primera y segunda corrientes de gas; en donde la geometría de la abertura de boquilla y la geometría en sección transversal del primer conducto son diferentes .

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el precombustor tiene una sección transversal de salida asimétrica y en donde un eje largo de la salida del precombustor se alinea con la dirección de dispersión de corriente de gas.

20. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la flama de oxi-combustible plana se utiliza para calentar vidrio.