MX2015001943A - Quemador y metodo de calentamiento transitorio. - Google Patents

Abstract

Un quemador de calentamiento transitorio que incluye al menos dos elementos de quemador cada uno tiene una tobera de distribución configurada para hacer fluir un combustible, y una tobera anular que rodea la tobera de distribuciones y configurada para hacer fluir un primer oxidante, al menos una tobera escalonada configurada para hacer fluir un segundo oxidante, y un controlador programado para controlar independientemente el flujo de combustible a cada tobera de distribución de tal manera que al menos una de las toberas de distribución es activa y al menos una de las toberas de distribución es pasiva, en donde un flujo de combustible de tobera de distribución activa es mayor que un flujo de combustible promedio en las toberas de distribución y un flujo de combustible de tobera pasiva es menor que el flujo de combustible promedio, y para controlar una relación escalonada para ser menor que o igual a aproximadamente 75%.

Description

QUEMADOR Y MÉTODO DE CALENTAMIENTO TRANSITORIO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta solicitud se relaciona con un quemador y método para calentar un horno, y en particular un horno de fusión industrial, para proporcionar transferencia de calor mejorada mientras que mejora la uniformidad de calentamiento y reduce el sobrecalentamiento potencial y condiciones de oxidación en una superficie de baño de fusión.

En un sistema convencional, el calor, proporcionado por una llama estacionaria, no se dirige hacia la fusión, limitando por consiguiente la transferencia de calor desde la llama hasta la fusión. Además, si se modificó un sistema convencional para dirigir una llama estacionaria hacia la fusión, puede ocurrir sobrecalentamiento y oxidación indeseables del metal. Un procedimiento para evitar el sobrecalentamiento, como se enseña en la Patente de los Estados Unidos No. 5,554,022, es dirigir una llama de bajo momento hacia la fusión y después la incidencia del chorro de alto momento en la llama de bajo momento, provocando que la llama se mueva. Sin embargo, en este procedimiento existe aún un potencial significativo para oxidación de metal y las llamas flotantes que pueden interactuar con y sobrecalentar el material refractario del horno.

El quemador y el método de calentamiento transitorio proporcionan una cobertura de llama mejorada y factores de visión en un horno. La configuración del quemador permite el suministro de flujo de calor óptimo tanto espacial como temporalmente de modo que puede lograrse una distribución de temperatura uniforme y mantenerse en un horno. El flujo de calor uniforme se logra al dirigir el flujo de calor a las ubicaciones apropiadas, por ejemplo, como se determina por un algoritmo, basado en la geometría del horno, o basado en la retroalimentación en tiempo real de uno o más sensores, durante ciertas cantidades de tiempo. El quemador y el método permiten llamas más grandes y más penetrantes que pueden incidir en la carga en un horno para proporcionar fusión mejorada, mientras que minimiza las pérdidas por fusión oxidativa. En particular, las llamas de alto momento múltiples se dirigen hacia la fusión en una forma cíclica. El sobrecalentamiento se evita y la energía se distribuye más uniformemente sobre el baño de fusión. El quemador también es capaz de generar vórtices al modular selectivamente llamas múltiples. En particular, el quemador tiene una pluralidad de elementos de quemador separados, cada uno con su propia llama en un estado pasivo o activo, que puede modularse en diversos patrones y frecuencias para lograr el perfil de flujo de calor deseado.

Se describen diversas modalidades de un quemador de calentamiento transitorio. El quemador incluye al menos dos elementos quemadores cada uno teniendo una tobera de distribución configurada para fluir un combustible y una tobera anular que rodea la tobera de distribución y configurada para fluir un primer oxidante, y al menos una tobera escalonada configurada para fluir un segundo oxidante. Un controlador está programado para controlar independientemente el flujo de combustible a cada tobera de distribución y para controlar una relación escalonada para ser menor que o igual a aproximadamente 75%. El controlador controla el flujo de modo que al menos una de las toberas de distribución es activa y en al menos una de las toberas de distribución es pasiva, en donde el flujo de combustible en una tobera de distribución activa es mayor que un flujo de combustible promedio en las toberas de distribución y el flujo de combustible en una tobera de distribución pasiva es menor que el flujo de combustible promedio en las toberas de distribución. La relación escalonada es la relación del oxigeno contenido en el segundo flujo de oxidante para la suma del oxigeno contenido en el primer y segundo flujos de oxidante.

Los elementos del quemador pueden separarse sustancial y uniformemente en un circulo circunscrito, y la tobera escalonada se coloca dentro del circulo circunscrito. En un aspecto, el quemador incluye tres elementos de quemador cada uno separado 120° de los elementos de quemador adyacentes. En otro aspecto, el quemador incluye cuatro elementos de quemador cada uno separado 90° de los elementos de quemador adyacentes. En aspectos adicionales, el quemador puede incluir cinco o seis elementos de quemador separados uniformemente alrededor de un circulo circunscrito.

En un aspecto, al menos uno de los elementos de quemador se encuentra en ángulo radialmente hacia fuera en un ángulo a desde el circulo circunscrito. Los elementos de quemador todos pueden estar en ángulo en el mismo ángulo a, o cada elemento de quemador, n, puede estar en ángulo radialmente hacia fuera en un ángulo an diferente. El ángulo a es de preferencia menor que o igual a aproximadamente 60° y de mayor preferencia de aproximadamente 10° a aproximadamente 40°.

En otro aspecto, al menos uno de los elementos de quemador se encuentra en ángulo tangencialmente en un ángulo b con respecto al circulo circunscrito. El ángulo b es de preferencia menor que o igual a aproximadamente 60° y de mayor preferencia de aproximadamente 10° a aproximadamente 40°.

En otra modalidad de un quemador, los elementos de quemador y la tobera escalonada se colocan en general en forma colineal con cada tobera escalonada ubicada aproximadamente equidistante entre los dos elementos de quemador. En un aspecto, el quemador tiene al menos tres toberas escalonadas, que incluyen una tobera escalonada central, y al menos cuatro elementos de quemador colocados alternativamente con las toberas escalonadas. En otro aspecto, los elementos de quemador y las toberas escalonadas en cualquier lado de la tobera escalonada central se ponen en ángulo en un ángulo g lejos de la tobera escalonada central.

En aún otra modalidad de un quemador, las toberas de distribución y las toberas anulares de los elementos de quemador cada uno tiene una sección transversal con un eje menor y un eje mayor en al menos 1.5 veces mayor que el eje menor. Al menos dos toberas escalonadas se colocan de manera general colineal y sustancialmente paralelas al eje mayor, y se encuentran adyacentes a cada elemento de quemador.

En otra modalidad de un quemador, la tobera escalonada tiene una sección transversal con un eje menor y un eje mayor al menos 1.5 veces mayor que el eje menor, y al menos dos elementos de quemador se colocan en forma colineal, y se encuentran adyacentes a la tobera escalonada y sustancialmente paralelos al eje principal. En un aspecto, los elementos del quemador se ponen en ángulo hacia afuera desde el eje menor de la tobera escalonada en un ángulo f de menos de aproximadamente 45°.

El controlador se programa para controlar el flujo de combustible en una tobera de distribución pasiva para ser mayor que cero y menor que o igual al indice de flujo de una tobera de distribución activa. En una modalidad el controlador se programa para controlar la relación escalonada para ser menor que o igual a aproximadamente 40%.

En otra modalidad, el combustible que sale de una tobera de distribución activa tiene una velocidad de chorro activa y el oxidante que sale de la tobera escalonada tiene una velocidad de chorro escalonada, y el controlador se programa para controlar la relación de la velocidad de chorro escalonada a la velocidad de chorro activa que es al menos aproximadamente 0.05 y menos de 1. De preferencia, la relación de la velocidad de chorro escalonada a la velocidad de chorro activo se controla para ser de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.4.

En un aspecto, el primer oxidante que fluye a través de las toberas anulares tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 70%. En otro aspecto, el segundo oxidante que fluye a través de la tobera escalonada tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 20.9%.

En otro aspecto, una tobera de distribución activa tiene un índice de flujo de chorro activo y en donde una tobera de distribución pasiva tiene un índice de flujo de chorro pasivo, y el controlador se programa para controlar la relación del índice de flujo de chorro activo al índice de flujo de chorro pasivo para ser de aproximadamente 5 a aproximadamente 40. De preferencia, el controlador se programa para controlar la relación de índice de flujo de chorro activo a índice de flujo de chorro pasivo para ser de aproximadamente 15 a aproximadamente 25.

En otro aspecto, un elemento de quemador que tiene una tobera de distribución pasiva tiene una relación de equivalencia de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1. En otro aspecto, un elemento de quemador que tiene una tobera de distribución activa tiene una relación de equivalencia de aproximadamente 1 a aproximadamente 10. La relación de equivalencia es la relación del flujo oxidante estequiométrico teórico a través de la tobera anular al flujo oxidante real a través de la tobera anular para quemar el combustible que fluye a través de la tobera de distribución.

En otra modalidad, se configura un sensor para proporcionar una señal al controlador. El controlador se programa para controlar cada tobera de distribución para ser activa o pasiva basada en la señal. El sensor se selecciona del grupo que consiste de sensores de temperatura, sensores de radiación, sensores ópticos, cámaras, sensores de color, sensores de conductividad, sensores de proximidad y combinaciones de los mismos.

En una modalidad, el primer oxidante y el segundo oxidante tienen la misma concentración de oxigeno. En otra modalidad, el primer oxidante y el segundo oxidante tienen diferentes concentraciones de oxigeno.

En una modalidad, la tobera escalonada incluye un álabe de turbulencia para impartir turbulencia al segundo oxidante.

Se describe un método para operar un quemador en un horno, el quemador tiene al menos una tobera escalonada y al menos dos elementos de quemador cada uno comprendiendo una tobera de distribución rodeada por una tobera anular. El método incluye oxidante que fluye en un indice de flujo escalonado a través de la tobera escalonada, oxidante que fluye en un indice de flujo oxidante primario a través de cada una de las toberas anulares, seleccionar al menos una de las toberas de distribución para se activa y al menos una de las toberas de distribución para ser pasiva, combustible que fluye en un indice de flujo de chorro activo a través de las toberas de distribución activa, y combustible que fluye en un indice de flujo de chorro pasivo a través de las toberas de distribución pasivas, en donde el indice de flujo de chorro activo es mayor que un indice de flujo de combustible promedio a través de las toberas de distribución y el indice de flujo de chorro pasivo es menor que el indice de flujo de combustible promedio a través de las toberas de distribución.

El método puede incluir adicionalmente detectar un parámetro en el horno, volver a seleccionar cuáles toberas de distribución son activas y cuáles toberas de distribución son pasivas basándose en el parámetro detectado, y periódicamente repetir las etapas de detección y reselección.

Se describe una modalidad de un quemador de calentamiento transitorio. El quemador incluye al menos dos elementos quemadores cada uno teniendo una tobera de distribución configurada para hacer fluir un primer fluido, una tobera anular que rodea la tobera de distribución y configurada para hacer fluir un segundo fluido, y al menos una tobera escalonada configurada para hacer fluir un tercer fluido. El quemador incluye además un controlador programado para controlar independientemente el flujo del primer fluido a cada tobera de distribución de manera que al menos una de las toberas de distribución es activa y al menos una de las toberas de distribución es pasiva, y para controlar una relación escalonada para ser menor que o igual a aproximadamente 75%. El flujo en la tobera de distribución activa es mayor que un flujo promedio en las toberas de distribución y el flujo en una tobera de distribución pasiva es menor que el flujo promedio para las toberas de distribución. La relación escalonada es la relación del tercer flujo de fluido la suma del segundo flujo de fluido y el tercer flujo de fluido. En esta modalidad, el primer fluido contiene uno de combustible y oxigeno y el segundo fluido y el tercer fluido contienen el otro del combustible y oxigeno, en donde el combustible y el oxígeno son reactivos.

Se describen a continuación otros aspectos de la invención .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en perspectiva de una modalidad de un quemador de calentamiento transitorio.

La Figura 2 es una vista esquemática de control para una modalidad de un quemador de calentamiento transitorio.

La Figura 3 es una vista esquemática de secuencia operacional para una modalidad de un quemador de calentamiento transitorio como en la Figura 1.

La Figura 4 es una vista extrema esquemática que muestra las orientaciones de tobera para dos modalidades de un quemador de calentamiento transitorio.

Las Figuras 5a-5e son vistas extremas de diversas modalidades de un quemador de calentamiento transitorio. La Figura 5a muestra un quemador que tiene una tobera escalonada central rodeada por cuatro elementos de quemador en ángulo radialmente hacia fuera; la Figura 5b muestra un quemador que tiene una tobera escalonada central rodeada por cuatro elementos de quemador en ángulo tangencialmente a lo largo de un circulo circunscrito; la Figura 5c muestra un quemador que tiene una disposición colineal de los elementos de quemador alternativos y toberas escalonadas en las cuales todos excepto la tobera escalonada central se ponen en ángulos hacia afuera; la Figura 5d muestra un quemador que tiene cuatro elementos de quemador colineales adyacentes a y sustancialmente paralelos con el eje mayor de una tobera escalonada ranurada; y la Figura 5e muestra un par de elementos de quemador de llama plana alineados en un par de toberas escalonadas colineales adyacentes a y sustancialmente paralelas con el eje mayor de cada elemento de quemador.

La Figura 6 muestra diversas geometrías posibles de una tobera de distribución con cada elemento de quemador.

La Figura 7 es una vista en perspectiva de un horno que muestra dos posibles orientaciones de montaje de un quemador de calentamiento transitorio.

La Figura 8 es una gráfica que compara en una producción NOx a escala relativa datos de un quemador de oxi-combustible convencional, un quemador de oxi-combustible escalonado convencional, y un quemador de calentamiento transitorio, en ambos modos luminoso y no luminoso.

La Figura 1 representa una modalidad de un quemador 10 de calentamiento transitorio. El quemador 10 incluye un cuerpo 12 que tiene una cara 14, en donde, cuando el quemador 10 se monta en un horno (por ejemplo, como en la Figura 7), la cara 14 se expone a la zona de combustión en el horno.

El quemador 10 incluye una pluralidad de elementos 20 de quemador orientados de modo que definen un círculo circunscrito (véase Figura 4), con los elementos 20 de quemador de preferencia separados igualmente alrededor del círculo circunscrito. Al menos una tobera 30 escalonada se coloca dentro del círculo circunscrito. Para propósitos de referencia, un chorro (A) activo y un chorro (P) pasivo se representan, para mostrar que el chorro activo tiene una llama más grande que el chorro pasivo.

El quemador 10 representado en la Figura 1 tiene cuatro elementos 20 de quemador separados en aproximadamente intervalos de 90°. Sin embargo, se entiende que el quemador 10 puede incluir cualquier número n de elementos 20 de quemador iguales a o mayores que dos. Por ejemplo, un quemador 10 puede tener dos elementos 20 de quemador separados de modo que se encuentran diametralmente opuestos, o alternativamente tres elementos 20 de quemador separados en intervalos de aproximadamente intervalos de 120°,o cinco o más elementos 20 de quemador separados en intervalos aproximadamente uniformes. También se entiende que algunas geometrías de horno, configuraciones, o condiciones de operación, pueden ser deseables para tener un quemador 10 con una pluralidad de elementos 20 de quemador que se separan en forma desigual alrededor del circulo circunscrito. En una alternativa adicional, el quemador 10 puede tener una pluralidad de elementos 20 de quemador que se colocan para definir una forma geométrica distinta de un círculo, por ejemplo, un óvalo o un polígono irregular, dependiendo de la geometría y configuración del horno.

El quemador 10 en la Figura 1 tiene una tobera 30 escalonada centralmente colocada. Sin embargo, se entiende que una pluralidad de toberas 10 escalonadas pueden proporcionarse, en donde las toberas 30 escalonadas pueden ser todas del mismo tamaño o de diferentes tamaños. Adicionalmente, dependiendo de la geometría del horno, características de llama deseadas, la orientación de los elementos 20 de quemador individuales, y otros factores, las toberas 30 escalonadas pueden colocarse fuera del centro con el circulo circunscrito definido por el elemento 20 de quemador. La tobera 30 escalonada puede ser de cualquier forma.

Cada elemento 20 de quemador incluye una tobera 22 de distribución rodeada por una tobera 24 anular. Un reactivo distribuido se hace fluir a través de la tobera 22 de distribución mientras que un reactivo escalonado se hace fluir a través de la tobera 24 anular, en donde un reactivo es un combustible y el otro reactivo es un oxidante. Una porción del reactivo escalonado también se hace fluir a través de la tobera 30 escalonada. En una modalidad, el combustible se hace fluir a través de la tobera 22 de distribución como el reactivo distribuido, mientras que el oxidante se hace fluir a través de la tobera 24 anular como el reactivo escalonado. En otra modalidad, el oxidante es el reactivo distribuido que fluye a través de la tobera 22 de distribución y el combustible es el reactivo escalonado que fluye a través de la tobera 24 anular. La proporción del reactivo escalonado introducido a través de las toberas 24 anulares cuando se compara con la tobera 30 escalonada puede ajustarse para mantener la operación de quemador estable y/o para controlar las propiedades de llama tal como el perfil de liberación de calor.

Como se utiliza en la presente, el término "combustible" indica cualquier sustancia que contiene hidrocarburo que puede utilizarse como combustible en una reacción de combustión. De preferencia, el combustible es un combustible gaseoso, tal como gas natural, aunque el combustible también puede ser un combustible liquido atomizado o un combustible sólido pulverizado en un gas portador. Como se utiliza en la presente, el término "oxidante" indica cualquier sustancia que contiene oxigeno que puede oxidar combustible en una reacción de combustión. Un oxidante puede ser aire, aire viciado, (es decir, gas con menos de aproximadamente 20.9% de oxigeno), aire enriquecido con oxigeno (es decir, gas con más de aproximadamente 20.9% de oxigeno), u oxigeno esencialmente puro (es decir, gas con aproximadamente 100% de oxigeno). En modalidades preferidas, el oxidante es un aire enriquecido con oxigeno que tiene una concentración de oxigeno de al menos aproximadamente 26%, al menos aproximadamente 40%, al menos aproximadamente 70%, o al menos aproximadamente 98%.

La tobera 22 de distribución puede ser de cualquier forma. Un subconjunto de formas ejemplares posibles se muestra en la Figura 6, incluyendo una tobera ranurada (Figura 6a), una tobera de una sola ranura (Figura 6b), una tobera circular (Figura 6c), y una tobera con varios orificios (Figura 6d). Una discusión más detallada de la formas de tobera posibles puede encontrarse en la US 6,866,503, incorporada en la presente para referencia en su totalidad. Por ejemplo, para crear una llama luminosa con propiedades de alta transferencia radioactiva, una tobera 22 de distribución que tiene un factor de forma de menos de 10 puede utilizarse, mientras que para crear una llama no luminosa la cual puede tener menor cantidad en NOx, puede utilizarse una tobera de distribución que tenga un factor de forma de 10 o más. El modo luminoso puede preferirse para operaciones de fusión, mientras que el modo no luminoso puede preferirse para operaciones de recalentamiento. Observe que una tobera de factor de alta conformación puede incluir una tobera de varios orificios. Como se describe en detalle en la US 6,866,503, el factor de forma, o, se define el cuadrado del perímetro, P, dividido por dos veces el área A en sección transversal, o en términos de la ecuación: s = P2/2A.

La Figura 2 muestra una vista esquemática de control simplificado para un quemador 10 como se describe en lo anterior. Un primer fluido F1 se suministra a la tobera 22 de distribución en un indice de flujo total controlado por la válvula 23 de control. El flujo del primer fluido F1 para cada tobera 22 de distribución se controla por separado. En una modalidad, una válvula 26 de control corriente arriba de cada tobera 22 de distribución se modula entre una posición de alto flujo y una de bajo flujo, que corresponde respectivamente a un estado activo y un estado pasivo para el elemento 20 de quemador que contiene esa tobera 22 de distribución. En una modalidad alternativa, la válvula 26 de control se coloca en paralelo con un pasaje 27 de desviación. En esta modalidad, la válvula 26 de control se modula entre una posición abierta y una posición cerrada, que corresponde de nuevo respectivamente a los estados activo y pasivo del elemento 20 de quemador, mientras que el pasaje 27 de desviación permite una cantidad relativamente pequeña de flujo para desviar la válvula 26 de control de modo que parte del primer fluido F1 esté siempre fluyendo a la tobera 22 de distribución, incluso en el estado pasivo.

El efecto de cualquier disposición es para modular el flujo a través de la tobera 22 de distribución entre un indice de flujo activo relativamente maypr y un índice de flujo pasivo relativamente menor. Por ejemplo, un índice de flujo activo puede definirse como un índice de flujo mayor que un índice de flujo promedio en las toberas 22 de distribución, mientras que el índice de flujo pasivo puede definirse como un índice de flujo menor que el índice de flujo promedio en las toberas 22 de distribución. El índice de flujo promedio se determina al dividir el índice de flujo total del primer fluido F1 por el número total n de toberas 22 de distribución/elementos 20 de quemador. Otras relaciones entre el índice de flujo activo y el índice de flujo pasivo pueden usarse, con el índice de flujo activo siendo siempre mayor que el índice de flujo pasivo.

Independientemente de cómo se determinen los índices de flujo activos y pasivos, el indice de flujo pasivo debe ser mayor que el flujo nulo. El indice de flujo pasivo es suficiente para mantener la combustión en cada elemento 20 de quemador, para proporcionar un mecanismo para ignición inmediata cuando un elemento 20 de quemador se cambia del estado pasivo al estado activo. El indice de flujo pasivo no nulo también protege a la tobera 22 de distribución de la entrada de materiales extraños. En una modalidad, el indice de flujo pasivo es menor que o igual a la mitad del indice de flujo activo. En otra modalidad, la relación del indice de flujo activo al indice de flujo pasivo es al menos aproximadamente 5 y no mayor que aproximadamente 40. En aún otra modalidad, la relación del índice de flujo activo al indice de flujo pasivo es al menos aproximadamente 15 y no mayor que aproximadamente 25.

Un segundo fluido F2 se suministra a las toberas 24 anulares. Una válvula 28 de control controla el índice de flujo total del segundo fluido F2 a las toberas 24 anulares, y un colector 29 distribuye el flujo aproximadamente igual a través de n toberas 24 anulares. Un tercer fluido F3 se suministra a la tobera 30 escalonada, y el indice de flujo del tercer fluido F3 se controla por una válvula 32 de control. La tobera 30 escalonada puede incluir un álabe de turbulencia u otros mecanismos no mostrados) para impartir turbulencia al tercer fluido F3 que sale de la tobera 30 escalonada. La turbulencia impartida en el tercer fluido F3 resultará en la ruptura de ese chorro de fluido, lo cual puede ayudar en el arrastre del chorro del tercer fluido F3 por los chorros activos. Sin embargo, una turbulencia intensa no es deseable puesto que podría dominar la estructura de flujo y alterar las formas de llama.

El segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 contienen el mismo tipo de reactivo, ya sea combustible u oxidante. Por ejemplo, cuando el primer fluido F1 es combustible, el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son cada uno oxidantes, y cuando el primer fluido F1 es oxidante, el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son cada uno combustibles. En una modalidad, el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son fluidos diferentes, es decir, cada uno tiene el mismo reactivo (combustible u oxidante) pero en diferentes concentraciones. En este caso, la válvula 28 de control y la válvula 32 de control deben ser válvulas separadas para controlar los dos fluidos F2 y F3. En una modalidad alternativa (no mostrada), cuando el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son el mismo fluido que tiene la misma concentración del mismo reactivo, una válvula escalonada puede utilizarse en lugar de la válvula 28 de control y la válvula 32 de control para distribuir una porción del flujo aproximadamente igual a las n toberas 24 anulares y el resto del flujo a la tobera 30 escalonada.

En la modalidad representada, el índice de flujo del segundo fluido F2 a cada una de las toberas 24 anulares no se controla independientemente. Como resultado, cada tobera 24 anular siempre fluye alrededor de un índice de flujo promedio del segundo fluido F2 cuando la válvula 28 de control está abierta. El índice de flujo promedio se determina al dividir el índice de flujo total del segundo fluido F2 por el número total n de las toberas 24 anulares/elementos 20 de quemador. Alternativamente, el índice de flujo del segundo fluido F2 a cada tobera 24 anular puede controlarse independientemente.

En la modalidad representada, debido a que el índice de flujo del segundo fluido F2 a cada tobera 24 anular es aproximadamente el mismo, cada elemento 20 de quemador opera en cualquier lado del elemento estequiométríco dependiendo de si el elemento 20 de quemador es activo o pasivo en el momento. Cuando un elemento 20 de quemador se encuentra en el estado activo, el elemento 20 de quemador opera fuera del lado estequiométríco, y algunas veces bien fuera del lado estequiométríco, en una dirección, y cuando el elemento 20 de quemador se encuentra en el estado pasivo, ese elemento 20 de quemador opera fuera del lado estequiométríco y algunas veces bien fuera del lado estequiométríco,en la dirección opuesta. Por ejemplo, cuando el primer fluido Fl es combustible y el segundo fluido F2 es oxidante, un elemento 20 de quemador en el estado activo operará rico en combustible y un elemento 20 de quemador en el estado pasivo operará pobre en combustible.

Alternativamente, cuando el primer fluido F1 es oxidante y el segundo fluido F2 es combustible, un elemento 20 de quemador en el estado activo operará pobre en combustible y un elemento 20 de quemador en el estado pasivo operará rico en combustible. Sin embargo, debido a que el flujo total de combustible y oxidante es controlado por las válvulas 23 y 28 de control (y también por la válvula 32 de control escalonada), el lado estequiométrico global del quemador 10 sigue siendo el mismo independientemente de cuál, y cuántos, elementos 20 de quemador se encuentran en el estado activo contra los que están en el estado pasivo.

El lado estequiométrico en el cual cada elemento 20 de quemador opera puede caracterizarse por una relación de equivalencia. Para un índice de flujo de combustible determinado, la relación de equivalencia se determina como la relación de flujo de oxígeno estequiométrico teórico a flujo de oxígeno real. Para un oxidante que es 100% oxígeno, el oxígeno fluye igual que el flujo oxidante. Para un oxidante que tiene un porcentaje X de oxígeno menor que 100%, el flujo de oxígeno en una corriente oxidante se determina al dividir el índice de flujo oxidante por el porcentaje X de oxígeno; por ejemplo, para cumplir un requerimiento de oxígeno de 100 SCFH utilizando un oxidante que contiene 40% de oxígeno, se requieren 250 SCFH del oxidante.

La siguiente discusión pertenece a la modalidad en la cual el primer fluido F1 es un combustible y el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son ambos oxidantes. Cuando un elemento 20 de quemador se encuentra en el estado pasivo, la relación de equivalencia es menor que aproximadamente 1, y es de preferencia al menos aproximadamente 0.2. Esto significa que un elemento 20 de quemador pasivo está operando pobre en combustible, con tanto como cinco veces el oxigeno requerido para completar la combustión. Cuando un elemento 20 de quemador se encuentra en el estado pasivo, la relación de equivalencia es mayor que aproximadamente 1, y es de preferencia no más de aproximadamente 10. Esto significa que un elemento 20 de quemador activo está operando rico en combustible, con tan poco como 10% del oxigeno requerido para completar la combustión.

Una relación escalonada se define como la relación de la cantidad de un reactivo que fluye a través de la tobera 30 escalonada para la cantidad total de ese reactivo que fluye a través de la tobera 24 anular y la tobera 30 escalonada. Por ejemplo, cuando el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son oxidantes, la relación escalonada es la cantidad de oxigeno proporcionada por la tobera 30 escalonada dividida por la cantidad total de oxigeno proporcionado por la tobera 30 escalonada y las toberas 24 anulares combinadas. Si el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son los mismos fluidos (es decir, con la misma concentración de oxigeno), entonces la relación escalonada es simplemente el indice de flujo del tercer fluido F3 dividido por la suma del indice de flujo del segundo fluido F2 y el indice de flujo del tercer fluido F3. Aunque si el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son fluidos diferentes (es decir, con diferentes concentraciones X2 y X3 de oxigeno, respectivamente), entonces la relación escalonada se calcula tomando en cuenta las diferencias de concentración, como X3F3/ (X2F2 + X3F3) , como puede entenderse por una persona con experiencia en la téenica.

El quemador 10 se opera de preferencia con una relación escalonada de igual a o menor de aproximadamente 75%. Por ejemplo, cuando el oxidante es escalonado, es decir, cuando el segundo fluido F2 y el tercer fluido F3 son oxidantes, al menos aproximadamente 25% del oxigeno en el quemador 10 está fluyendo a través de las toberas 24 anulares y no más de aproximadamente 75% del oxigeno está fluyendo a través de la tobera 30 escalonada. De mayor preferencia, el quemador 10 se opera de preferencia con una relación escalonada de igual o menor de aproximadamente 40%. Además, como se discute en lo anterior, debido a la operación activa o pasiva de cada uno de los elementos 20 de quemador, uno o más elementos 20 de quemador activos simultáneamente operan con un exceso del primer fluido F1 comparado con el lado estequiométrico y uno o más elementos 20 de quemador que son pasivos al mismo tiempo operan con un exceso del segundo fluido F2 comparado con el lado estequiométrico, proporcionando por consiguiente alguna cantidad de escalonamiento incluso sin tomar en cuenta el tercer fluido F3 proporcionado por la tobera 30 escalonada.

El primer fluido F1 que sale de una tobera 22 de distribución activa tiene una velocidad de chorro activa determinada por el indice de flujo del primer fluido F1 y el área en sección transversal de la tobera 22 de distribución. El segundo fluido F2 que sale de una tobera 24 anular tiene una velocidad de chorro anular determinada por el indice de flujo del segundo fluido F2 y el área en sección transversal de la tobera 24 anular. Similarmente, el tercer fluido F3 que sale de la tobera 30 escalonada tiene una velocidad de chorro escalonada determinada por el indice de flujo del tercer fluido F3 y el área en sección transversal de la tobera 30 escalonada. La velocidad de chorro activa de preferencia es mayor que la velocidad de chorro anular. Además, para el rendimiento óptimo del quemador 10, la velocidad de chorro escalonada debe ser menor que o igual a la velocidad de chorro activa, y mayor que o igual a aproximadamente 0.05 veces la velocidad de chorro activo. En una modalidad, la relación de la velocidad de chorro escalonado a la velocidad de chorro activo es menor que o igual a aproximadamente 0.4. En otra modalidad, la relación de la velocidad de chorro escalonado a la velocidad de chorro activo es mayor que o igual a aproximadamente 0.1.

En una modalidad ejemplar probada en una disposición de caldeo vertical (montado en el techo), la velocidad de chorro del primer fluido F1 a través de una tobera 22 de distribución fue al menos aproximadamente 76.200 m/seg (250 pies/seg) y fue de preferencia al menos aproximadamente 91.440 m/seg (300 pies/seg), y la velocidad a través de una tobera 22 de distribución pasiva fue aproximadamente 20% de la velocidad de chorro activo. Para una disposición de caldeo horizontal, la velocidad de chorro activo puede ser considerablemente menor puesto que existe menos necesidad de combatir los efectos de flotación para evitar el sobrecalentamiento del bloque de quemador.

Todas las válvulas 23, 26, 28, y 32 de control se conectan a y se controlan por el controlador 100 que se encuentra específicamente programado o configurado para operar el quemador 10. El controlador 100 puede incluir componentes electrónicos convencionales tales como CPU, RAM, ROM, dispositivos de E/S, y la programación o configuración del controlador 100 pueden lograser por una combinación de uno o más de hardware, firmware, software, y cualquier otro mecanismo ahora conocido o después desarrollado para programar instrucciones de operación en un controlador.

Como se describe en lo anterior, al menos uno de los fluidos Fl, F2, y F3 debe ser o contener un combustible y al menos uno de los fluidos Fl, F2,y F3 debe ser un oxidante o contener oxígeno. El combustible puede ser un combustible gaseoso, un combustible líquido, o un combustible sólido pulverizado en un portador gaseoso. En una modalidad, F1 es un combustible y F2 y F3 son oxidantes. En este caso, F2 y F3 pueden ser el mismo oxidante, o F2 y F3 pueden ser diferentes oxidantes. Por ejemplo, en una modalidad preferida, F1 es combustible gaseoso tal como gas natural, F2 es un oxidante que tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 70%, y F3 es un oxidante que tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 20.9%. En otra modalidad similar, F1 es un combustible gaseoso tal como gas natural, F2 es un oxidante que tiene una concentración de oxigeno mayor que aquella de aire, y F3 es aire.

En una modalidad alternativa, F1 es un oxidante y F2 y F3 son combustibles. En este caso F1 tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 26%, de preferencia igual a o mayor que aproximadamente 40%, y de mayor preferencia igual a o mayor que aproximadamente 70%.

La Figura 3 muestra una posible secuencia de operación para la modalidad del quemador 10 ilustrado en la Figura 1. Para propósitos de discusión, los cuatro elementos 20 de quemador son etiquetados como a, b, c, y e. Como se muestra, solamente un elemento 20 de quemador es activo a la vez, mientras que el resto de los elementos de quemador son pasivos, y cada elemento 20 de quemador es sucesivamente cambiado al estado activo cuando el elemento 20 de quemador previamente activo se regresa al estado pasivo.

En particular, en la modalidad representada, el elemento 20a de quemador es activo mientras que los elementos 20b, 20c, y 20d de quemador son pasivos. En otras palabras, cada una de las toberas 24 anulares en cada elemento 20 de quemador está recibiendo un flujo aproximadamente igual al segundo fluido F2 y solamente la tobera 22 de distribución en el elemento 20a de quemador está recibiendo un mayor flujo activo del primer fluido Fl, mientras que la tobera 22 de distribución en los otros elementos 20b, 20c, y 20d de quemador están recibiendo un menor flujo pasivo del primer fluido Fl. Esto resulta en una llama penetrante relativamente prolongada que emana desde el elemento 20a de quemador activo y llamas relativamente cortas (piloto) que emanan de los elementos 20b, 20c, y 20d de quemador pasivo. Como se muestra adicionalmente en la modalidad representada, cuando el elemento 20b de quemador se vuelve activo, el elemento 20a de quemador regresa al estado pasivo y los elementos 20c y 20d de quemador permanecen pasivos. Después, cuando el elemento 20c de quemador se vuelve activo, el elemento 20b de quemador regresa al estado pasivo y los elementos 20c y 20a de quemador permanecen pasivos. Finalmente, cuando el elemento 20d de quemador se vuelve activo, el elemento 20d de quemador regresa al estado pasivo y los elementos 20a y 20b de quemador permanecen pasivos.

La secuencia mostrada en la Figura 3 y descrita en lo anterior es solamente una de las variaciones esencialmente ilimitadas. En un ejemplo no limitante, un elemento 20 de quemador es activo a la vez en una secuencia de repetición tal como a-b-c-d o a-b-d-c o a-c-b-d o a-c-d-b. En otro ejemplo no limitante, un elemento 20 de quemador es activo a la vez en una secuencia aleatoria. En aún otro ejemplo no limitante, un elemento 20 de quemador es activo a la vez aunque cada uno para cualquiera de los mismos o diferentes periodos de tiempo.

Además, en otros ejemplos, más de un elemento 20 de quemador es activo a la vez. Por ejemplo, para un quemador 10 que tiene tres o más elementos 20 de quemador, dos elementos 20 de quemador pueden ser activos o el resto pasivos. En general, para un quemador 10 que tiene n elementos de quemador, cualquier número de elementos de quemador de 1 a n-1 puede ser activo, y el resto pasivo.

Cada elemento 20 de quemador puede cambiarse del estado pasivo al activo basado en una secuencia de tiempo pre programada, de acuerdo con un algoritmo predeterminado, de acuerdo con una secuencia aleatoria, o dependiendo de las condiciones del horno. Pueden colocarse uno o más sensores 110 en el horno para detectar cualquier parámetro que pueda ser relevante para determinar ubicaciones en donde se necesite más o menos calor de combustión. Por ejemplo, el sensor puede ser un sensor de temperatura, de manera que cuando el sensor de temperatura se encuentra por debajo de un ajuste de umbral, el elemento 20 de quemador orientado para calentar el horno en la región de ese sensor de temperatura puede hacerse activo más frecuentemente o durante periodos más prolongados de tiempo. O si un sensor de temperatura detecta que una porción del horno o carga está recibiendo insuficiente calor, uno o más elementos 20 de quemador colocados cerca de esa porción del quemador o en ángulo hacia esa porción de la carga puede ser cambiado al estado activo, mientras que los elementos 20 de quemador en las porciones del horno o que reciben exceso de calor pueden cambiarse al estado pasivo.

Los sensores de temperatura pueden incluir sensores de contacto tal como termopares o RTD ubicados en las paredes del horno, o sensores sin contacto tal como sensores infrarrojos, sensores por radiación, sensores ópticos, cámaras, sensores de color, u otros sensores disponibles para aquellos en la industria. Otros tipos de sensores también pueden utilizarse para indicar el nivel de fusión o calentamiento en el horno, incluyendo pero no limitado a sensores de proximidad (por ejemplo, para detectar la proximidad de carga sólida que tiene aún que fundirse) o sensores de conductividad (por ejemplo, para detectar la mayor conductividad de un liquido cuando se compara con pedazos de sólidos pobremente interconectados).

Pueden lograrse varios beneficios por la operación del quemador 10 como se describe en la presente. Debido a que el calor puede dirigirse de preferencia a ciertas ubicaciones y durante periodos de tiempo más prolongados o más cortos, las zonas frías en los hornos pueden identificarse y eliminarse, resultando en calentamiento y fusión más uniforme. Particularmente para disposiciones de caldeo verticales (es decir, quemadores montados en el techo apuntando hacia abajo) como en la Figura 7, que operan el quemador con menos del total de los elementos 20 del quemador en el modo activo reduce o elimina los riesgos de llamas flotantes, evitando por consiguiente el sobrecalentamiento del bloque de quemador y el techo del horno. La combustión rica en combustible que resulta de un elemento 20 de quemador activo, donde el oxigeno proporcionado a través de la tobera 24 anular es significativamente menor que el oxígeno estequiométrico requerido por el combustible proporcionado a través de la tobera 22 de distribución, crea una atmósfera no oxidante cerca del baño de fusión para ayudar a proteger la carga de oxidación indeseable. Adicionalmente, activar los elementos 20 de quemador en un patrón cíclico repetido puede utilizar b para genera un patrón de calentamiento de vórtice que incremente el tiempo de residencia de los gases de combustión, incrementa el índice de transferencia de calor, y mejora la uniformidad del calentamiento, como se muestra, por ejemplo, en la US 2013/00954437. Además, la activación selectiva de los elementos 20 de quemador y la variación de la relación escalonada puede utilizarse para ajustar la ubicación el flujo de calor máximo que emana a partir de las reacciones de combustión y para ajustar la cubierta de llama para acomodar diversas geometrías de horno, condiciones y niveles de carga.

Diversas configuraciones posibles del quemador incluyen aquellas mostradas en la Figura 5. En una modalidad del tipo mostrado en la Figura 5a, uno o más de los elementos 20 de quemador pueden estar en ángulo radialmente hacia fuera en un ángulo a el círculo circunscrito por los elementos 20 de quemador, o de un eje definido por la tobera 30 escalonada. Aunque la modalidad representada muestra los cuatro elementos de quemador en ángulo radialmente hacia afuera en el mismo ángulo a, se entiende que cada elemento 20 de quemador puede estar en ángulo en un ángulo an diferente dependiendo de la geometría del horno y las características de operación deseadas del quemador 10. El ángulo a puede ser igual a o mayor que aproximadamente 0o y es de preferencia igual a o menor de aproximadamente 60°. De mayor preferencia, el ángulo a es al menos aproximadamente 10° y no mayor de aproximadamente 40°.

En una modalidad del tipo mostrado en la Figura 5b, uno o más elementos 20 de quemador pueden estar en ángulo tangencialmente al círculo circunscrito de un ángulo b para crear turbulencia. Aunque la modalidad representada muestra los cuatro elementos 20 de quemador en ángulo tangencialmente en el mismo ángulo b, se entiende que cada elemento 20 de quemador puede estar en ángulo en un ángulo bh diferente dependiendo de la geometría del horno y las características de operación deseadas del horno 10. El ángulo b puede ser igual a o mayor que aproximadamente 0o y es de preferencia igual a o menor de aproximadamente 60°. De mayor preferencia, el ángulo b es al menos aproximadamente 10° y no mayor de aproximadamente 40°.

En una modalidad del tipo mostrado en la Figura 5c, una pluralidad de los elementos 20 de quemador se colocan generalmente en forma colineal entre sí para definir una línea que tiene un punto medio y extremo. Aunque se muestran cuatro elementos 20 de quemador, esta modalidad es aplicable a una configuración con al menos dos elementos 20 de quemador y hasta tantos elementos 20 de quemador como puedan requerirse en un horno particular. Una tobera 20 escalonada se coloca entre cada par adyacente de los elementos 20 de quemador, de modo que los elementos 20 de quemador y las toberas 20 escalonada se alternan. Por ejemplo, una disposición con dos elementos 20 de quemador tienen una tobera 30 escalonada colocada entre los dos elementos 20 de quemador, y una disposición con tres elementos 20 de quemador tiene dos toberas 30 escalonadas cada una colocada entre un par de elementos 20 de quemador adyacentes. Los elementos 20 de quemador todos pueden orientarse perpendicularmente a la cara 14 de quemador, o alguno o todos los elementos 20 de quemador pueden estar en ángulo hacia fuera en un ángulo g de menos de o igual a aproximadamente 45° de la linea de punto medio hacia uno de los extremos de linea. Similarmente, las toberas 30 escalonadas pueden orientarse perpendicularmente a la cara 14 de quemador, o parte o todas las toberas 30 escalonadas pueden estar en ángulo en una dirección o la otra a lo largo de la linea. En la modalidad representada, una tobera 30 escalonada central se orienta perpendicularmente a la cara 14 de quemador, y una serie de tres elementos colineales - un elemento 20 de quemador, una tobera 30 escalonada, y otro elemento 20 de quemador - se colocan diametralmente en cualquier lado y ángulo lejos de la tobera 30 escalonada central y hacia sus extremos respectivos de la linea.

En una modalidad del tipo mostrado en la Figura 5d, una pluralidad de los elementos 20 de quemador se colocan en forma colineal entre si para definir una linea que tiene un punto medio y extremos. Aunque se muestran cuatro elementos 20 de quemador, esta configuración es la aplicación para una configuración con al menos dos elementos 20 de quemador y hasta tantos elementos 20 de quemador como puedan requerirse en un horno particular. Una tobera 30 escalonada alargada o generalmente rectangular que tiene un eje mayor y al menos 1.5 veces tan grande como el eje menor se coloca adyacente a y separado por una distancia fija de los elementos 20 de quemador, con el eje mayor sustancialmente paralelo a la linea definida por los elementos 20 de quemador. Los elementos 20 de quemador todos pueden orientarse perpendicularmente a la cara 14 de quemador, o alguno o todos los elementos 20 de quemador pueden estar en ángulo hacia fuera en un ángulo g de menos de o igual a aproximadamente 45° de la linea de punto medio hacia uno de los extremos de linea.

En una modalidad del tipo mostrado en la Figura 5e, cada elemento 20 de quemador tiene una configuración de llama plana, en donde ambas de la tobera 22 de distribución y la tobera 24 anular tienen una configuración alargada o generalmente rectangular que tiene un eje mayor en al menos 1.5 veces tan grande como el eje menor. Este tipo de quemador de flama plana se describe en detalle, por ejemplo, en US 5,611,682. Al menos dos toberas 30 escalonadas se colocan adyacentes a y separadas del elemento 20 de quemador, y se orientan generalmente en forma colineal para definir una linea que es sustancialmente paralela al eje mayor del elemento 20 de quemador. Al menos dos elementos 20 de quemador se utilizan en esta configuración.

En cualquiera de las configuraciones antes descritas en la Figura 5, un esquema de operación transitorio puede implementarse similar a aquel descrito en lo anterior para la configuración de la Figura 1. Específicamente, en cualquier momento dado, al menos un elemento 20 de quemador se opera en un estado activo, en donde el flujo de fluido a través de una tobera 22 de distribución activa es mayor que el flujo de fluido promedio a través de todas las toberas 22 de distribución, mientras que al menos un quemador 20 se opera en la fase pasiva, en donde el flujo de fluido a través de la tobera 22 de distribución pasiva es menor que el flujo de fluido promedio a través de todas las toberas 22 de distribución.

Como se muestra en la Figura 7, uno o más quemadores 10 pueden montarse en el techo de un horno 200 (instalación vertical) o en una pared lateral de un horno 200 (instalación horizontal). En una instalación vertical, los elementos 20 de quemador se disponen de preferencia en una configuración tal como en la Figura 5a o Figurar 5b, para proporcionar flujo de calor óptimo a la carga mientras que impide el sobrecalentamiento del bloque de quemador. Por ejemplo, como se discute en lo anterior, los elementos 20 de quemador pueden orientarse para estar en ángulo radialmente hacia fuera del circulo circunscrito que encierra la tobera 30 escalonada (Figura 5a). Alternativamente, el elemento 20 de quemador puede orientarse en una configuración de vórtice (tangencialmente en ángulo al circulo circunscrito) (Figura 5b). En una configuración horizontal, los elementos 20 de quemador pueden disponerse en cualquier disposición, y en particular pueden disponerse como en cualquiera de las Figuras 5c - 5e dependiendo de la geometría del horno.

Como se muestra en los datos de la Figura 8, el quemador 10 muestra emisiones de NOx reducidas comparadas con los quemadores de oxi-combustible convencionales. Observe que la escala de la Figura 8 es relativa, normalizada al pico de NOx de un quemador de oxi-combustible convencional. Cuando el quemador 10 se opera transitoriamente como se describe en la presente en un modo luminoso (es decir, con una tobera 22 de distribución de factor de forma bajo), las emisiones de NOx pico son sólo aproximadamente 40% de aquellas emitidas por un quemador de oxi-combustible convencional. Cuando el quemador 10 se opera transitoriamente como se describe en la presente en un modo no luminoso (es decir, con una tobera 22 de distribución de factor de forma alto), las emisiones de NOx pico son aún menores, sólo aproximadamente 35% de aquellas emitidas por un quemador de oxi-combustible convencional. En ambos casos, el quemador 10 puede operarse con combustible como el fluido distribuido y el oxidante como el fluido escalonado. Sin estar unido por teoría, este sorprendente resultado se piensa que es un resultado de la naturaleza altamente escalonada de la combustión producida por el quemado 10, lo cual resulta en una primera zona de llama rica en combustible que produce bajo contenido de NOx debido a la disponibilidad de oxígeno limitadas, y una segunda zona de llama pobre combustible que produce bajo contenido de NOx debido a sus bajas temperaturas de combustión.

La presente invención no se limitará en alcance por los aspectos específicos o modalidades descritas en los ejemplos los cuales se pretenden como ilustraciones de unos cuantos aspectos de la invención y cualesquier modalidades que sean funcionalmente equivalentes se encuentran dentro del alcance de esta invención. Diversas modificaciones de la invención además de aquellas mostradas y descritas en la presente se volverán aparentes para aquellos con experiencia en la téenica y se pretende que caigan dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un horno de calentamiento transitorio caracterizado porque comprende; al menos dos elementos de quemador cada uno comprende: una tobera de distribución configurada para hacer fluir un combustible; y una tobera anular que rodea la tobera de distribución y configurada para hacer fluir un primer oxidante; al menos una tobera escalonada configurada para hacer fluir un segundo oxidante; y un controlador programado; para controlar independientemente el flujo de combustible en cada tobera de distribución de tal manera que al menos una de las toberas de distribución es activa y al menos una de las toberas de distribución es pasiva, en donde el flujo de combustible en una tobera de distribución activa es mayor que un flujo de combustible promedio en las toberas de distribución y el flujo de combustible en una tobera de distribución pasiva es menor que el flujo de combustible promedio para las toberas de distribución; y para controlar que una relación escalonada sea menor que o igual a aproximadamente 75%, en donde la relación escalonada es la relación del oxigeno contenido en el segundo flujo oxidante a la suma de oxigeno contenido en el primer y segundo flujos de oxidante.

2. El quemador de conformidad con la reivindicación caracterizado porque el elemento de quemador se separa sustancial y uniformemente en un circulo circunscrito; y en donde la tobera escalonada se coloca dentro del circulo circunscrito.

3. El quemador de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque al menos uno de los elementos de quemador se encuentra el ángulo radialmente hacia afuera en un ángulo a del circulo circunscrito, en donde el ángulo a es menor que o igual aproximadamente 60°.

4. El quemador de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque al menos uno de los elementos de quemador se encuentra en ángulo tangencialmente en un ángulo b con respecto al circulo circunscrito, en donde el ángulo b es menor que o igual a aproximadamente 60°.

5. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los elementos de quemador y la tobera escalonada se colocan en forma colineal con cada tobera escalonada localizada equidistante entre los dos elementos de quemador.

6. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las toberas de distribución y las toberas anulares cada una tiene una sección transversal con un eje menor y un eje mayor al menos 1.5 veces mayor que el eje menor; y en donde al menos dos toberas escalonadas se colocan en forma colineal, y se encuentran adyacentes a cada elemento de quemador y sustancialmente paralelas al eje mayor.

7. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la tobera escalonada tiene una sección transversal con un eje menor y un eje mayor al menos 1.5 veces mayor que el eje menor; y en donde al menos dos elementos de quemador se colocan en forma colineal, y se encuentran adyacentes a la tobera escalonada y sustancialmente paralelas al eje mayor.

8. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador se programa para controlar el flujo de combustible a una tobera de distribución pasiva para ser mayor que cero y menor que o igual a la mitad del indice de flujo de una tobera de distribución activa.

9. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador se programa para controlar la relación escalonada para ser menor que o igual a aproximadamente 40%.

10. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el combustible que sale de una tobera de distribución activa tiene una velocidad de chorro activo y el oxidante que sale de la tobera escalonada tiene una velocidad de chorro escalonada; y en donde el controlador se programa para controlar la relación de la velocidad de chorro escalonado a la velocidad de chorro activo para ser al menos aproximadamente 0.05 y menos de 1.

11. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer oxidante que fluye a través de las toberas anulares tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 70%.

12. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo oxidante que fluye a través de la tobera escalonada tiene una concentración de oxigeno igual a o mayor que aproximadamente 20.9%.

13. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque una tobera de distribución activa tiene un indice de flujo de chorro activo y en donde una tobera de distribución pasiva tiene un índice de flujo de chorro pasivo; y en donde el controlador se programa para controlar la relación del índice de flujo de chorro activo al índice de flujo de chorro pasivo para ser de aproximadamente 5 a aproximadamente 40.

14. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de quemador que tiene una tobera de distribución pasiva tiene una relación de equivalencia de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 1, en donde la relación de equivalencia es la relación de flujo oxidante geométrico teórico a través de la tobera anular al flujo de oxidante actual a través de la tobera anular para quemar el combustible que fluye a través de la tobera de distribución y en donde un elemento de quemador que tiene una tobera de distribución activa tiene una relación equivalente de aproximadamente 1 aproximadamente 10, en donde la relación de equivalencia es la relación de flujo de oxidante geométrico teórico a través de la tobera anular al flujo de oxidante real a través de la tobera anular para quemar el combustible que fluye a través de la tobera de distribución.

15. El quemador de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende un sensor configurado para proporcionar una señal al controlador; en donde el controlador se programa para controlar cada tobera de distribución para ser activa o pasiva basada en la señal; en donde los sensores se seleccionan del grupo que consiste de sensores de temperatura, sensores de radiación, sensores ópticos, cámaras, sensores de color, sensores de conductividad, sensores de proximidad y combinaciones de los mismos.

16. Un método para operar un quemador en un horno, el horno tiene al menos una tobera escalonada y al menos dos elementos de quemador cada uno comprendiendo una tobera de distribución rodeada por una tobera anular, el método caracterizado porque comprende: hacer fluir oxidante en un indice de flujo escalonado a través de la tobera escalonada; hacer fluir oxidante en un índice de flujo oxidante primario a través de cada una de las toberas anulares; seleccionar al menos una de las toberas de distribución para ser activa y al menos una de las toberas de distribución para ser pasiva; hacer fluir combustible en una índice de flujo de chorro activo a través de las toberas de distribución activas; y hacer fluir combustible en un índice de flujo de chorro pasivo a través de las toberas de distribución pasivas; en donde el índice de flujo de chorro activo es mayor que un índice de flujo de combustible promedio a través de las toberas de distribución y el índice de flujo de chorro pasivo es menor que el índice de flujo de combustible promedio a través de las toberas de distribución

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque comprende: detectar un parámetro en el horno; volver a seleccionar cuáles toberas de distribución son activas y cuales toberas de distribución son pasivas basado en el parámetro detectado; y repetir periódicamente las etapas de detección y reselección.

18. Un quemador de calentamiento transitorio caracterizado porque comprende; al menos dos elementos de quemador cada uno comprende: una tobera de distribución configurada para hacer fluir un primer fluido; y una tobera anular que rodea la tobera de distribución y se configura para hacer fluir un segundo fluido; al menos una tobera escalonada configurada para hacer fluir tercer fluido; y un controlador programado; para controlar independientemente el flujo del primer fluido a cada tobera de distribución de tal manera que al menos una de las toberas de distribución es activa y al menos una de las toberas de distribución es pasiva, en donde el flujo en una tobera de distribución activa es mayor que un flujo promedio para las toberas de distribución y el flujo en una tobera de distribución pasiva es menor que el flujo promedio en las toberas de distribución; y para controlar que una relación escalonada sea menor que o igual a aproximadamente 75%, en donde la relación escalonada es la relación del tercer flujo de fluido a la suma del segundo, flujo de fluido y el tercer flujo de fluido; en donde el primer fluido contiene uno del combustible y el oxidante y el segundo fluido y el tercer fluido contienen el otro del combustible y el oxidante.