TERMOLIS?S CONTROLADA DE COMBUSTIBLE SOLIDO EN HORNOS
PRECALENTADORES/PRECALCINADORES
Campo de la Invención Esta invención se refiere a un método y aparato para moderar o controlar la combustión de módulos de combustible cargados en un ambiente de combustible. Más específicamente, la presente invención se refiere a un método y aparato para controlar la velocidad a la cual los módulos de combustible se cargan en el ducto de subida de un horno precalentador o precalcinador .
Antecedentes y Breve Descripción de la Invención Esta invención se refiere a un método y aparato para lograr la disposición de sonido ambiental de desecho sólido de combustible en una operación de horno de cemento precalentador o precalcinador. En el proceso comercial ampliamente usado para la producción de ladrillo vitreo de cemento, los materiales brutos de cemento se calcinan y se hacen chocar" pasando materiales de minerales brutos finamente divididos a través de un recipiente de horno rotatorio inclinado de rotación o cilindro de horno. Las temperaturas requeridas para procesar el material mineral se logran quemando combustible, tal como gas, aceite combustible, carbón pulverizado y similares, en el extremo inferior del ; REF 135678 horfto, con los gases del horno moviéndose a contracorriente con respecto a los materiales minerales que se mueven a través del cilindro del horno de rotación. Los hornos de cemento de precalentadores y precalcinadores son bien conocidos en el arte y una descripción de su operación podria encontrarse en la Patente U.S. No. 5,816,795 por Hansen et al ("la patente ?795) que se incorpora en la presente por referencia. Los hornos precalentadores o precalcinadores tienen, además de un recipiente de horno de rotación inclinado alimentado en su extremo inferior, una porción de transferencia de calor estacionaria en su extremo superior (que incluye tipicamente ciclones multietapas) para precalentar y/o precalcinar el material mineral antes de que se introduzca en el extremo superior del recipiente del horno de rotación. Debido a que el material mineral se precalienta o precalcina antes de entrar al recipiente del horno de rotación, la longitud del recipiente del horno de rotación puede ser mucho más corta que el recipiente de rotación en los hornos de longitud convencional. La presente invención proporciona un método y aparato para sonido ambientalmente controlado, quemado altamente eficiente de desechos de combustible sólido como combustible suplementario en la porción de transferencia de calor estacionaria de los hornos precalentadores o precalcinadores.
De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se proporciona un aparato para liberar combustible suplementario derivado de desechos sólidos en un horno de cemento precalentador o precalcinador. Tales hornos incluyen un ducto de subida, un recipiente rotatorio y una porción de transición de plataforma y, en operación, una corriente de gas del horno que comprende productos de combustión que fluyen serialmente desde el recipiente rotatorio a través de la porción de transición de plataforma y en el ducto de subida. El aparato comprende un puerto de liberación de combustible suplementario en el ducto de subida espaciado aparte corriente abajo, con relación al flujo de gas del horno, de la porción de la plataforma de transición. Se comunica con el puerto de liberación de combustible un tubo de liberación de combustible que tiene un extremo de entrada de combustible externo al ducto de subida y un extremo de salida de combustible espaciado del extremo de entrada. Se proporciona un mecanismo de alimentación de combustible sólido para avanzar los elementos de combustible sólido a través del tubo de liberación de combustible y el puerto de liberación de combustible y en una región de combustión de combustible suplementaria. El mejoramiento de la invención comprende un controlador para el mecanismo de alimentación de combustible para ajustar la velocidad de avance del elemento de combustible sólido a través del puerto de liberación de
iaasafa. -ü-i •. «.a*'-*«-»---ii.J....J-A.A.i?aa.?-j_iM Ailh-U combustible y en contacto con la corriente de gas del horno en una zona de combustión de combustible suplementaria. En una modalidad, el aparato comprende además un detector en contacto con la corriente de gas del horno y en comunicación eléctrica o telemétricamente con un controlador para proporcionar señales indicativas de la eficiencia de combustión en el horno. En una modalidad, el detector proporciona una señal indicativa de la concentración de un componente gaseoso de la corriente de gas del horno. El controlador puede programarse para aumentar la velocidad de avance del elemento de combustible sólido a través del puerto de liberación de combustible en respuesta a aumentos detectados en la concentración de oxigeno y óxido de nitrógeno en la corriente de gas del horno, y disminuir la velocidad de avance del elemento de combustible sólido a través del puerto de liberación de combustible en respuesta a aumentos detectados en la concentración de monóxido de carbono o hidrocarburos en la corriente de gas del horno. El aparato está preferentemente libre de cualquier soporte del módulo de combustible en el ducto de subida. Opcionalmente el aparato puede incluir un puerto de liberación de partículas de polvo finas/polvo en el ducto de subida independiente del puerto de liberación de combustible y un soplador para dispersar las partículas de polvo finas o polvo del horno en la corriente de gas del horno dentro o en la vecindad de la zona o región de combustión de combustible suplementaria. Otro aspecto de la presente invención es la optimización del uso del combustible suplementario en los hornos precalentadores/precalcinadores con minimo impacto sobre la calidad del gas efluente del horno. El método comprende las etapas de: modificar un horno precalentador o precalcinador para incluir el aparato mejorado representado en las modalidades anteriormente establecidas y operar el horno para minimizar las concentraciones de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno en la corriente de gas efluente del horno. Otra modalidad de la presente invención proporciona un método para controlar la velocidad de alimentación de un módulo de combustible en una región de combustión, que incluye las etapas de: determinar el estado de la región de combustión, por ejemplo la composición o temperatura del gas, determinar o programar las características físicas del módulo de combustible y controlar la velocidad de alimentación del módulo de combustible dentro del horno como una función del estado determinado de la región de combustión y las características del módulo de combustible. En una modalidad de la invención, la determinación del estado de la región de combustión incluye medir el nivel de oxigeno en la región de combustión o en una localización corriente abajo del gas del horno, donde el nivel de oxigeno de la región de combustión pu^le determinarse indirectamente. Alternativamente, los niveles de monóxido de carbono o niveles de temperatura pueden medirse para verificar el estado de la región de combustión corriente debajo de la porción de la plataforma de transición. En un aspecto de tal método, el tamaño, forma, densidad del módulo de combustible, pueden medirse y programarse en el controlador. En una modalidad alternativa, el método puede incluir la etapa de alimentar un agente de control de combustión dentro de la región de combustión para efectuar la combustión. La velocidad de alimentación del agente de control de la combustión puede monitorearse, ajustarse y coordinarse con la velocidad de alimentación del módulo de combustible. En otra modalidad de la invención, se proporciona un mecanismo para alimentar el módulo de combustible dentro de una región de combustión. El mecanismo incluye un alimentador del módulo de combustible, un detector colocado en comunicación con la región de combustión y un medio de control para recibir señales del detector y datos relevantes a las características físicas del módulo de combustible y, ajustar la velocidad a la cual el alimentador del módulo de combustible alimenta los módulos de combustible dentro de la región de combustión sensible a estas señales. El mecanismo puede incluir opcionalmente un alimentador de agente de control de combustión colocado para liberar un agente de control de combustión dentro de la región de combustión para
-»....^.--?-«--«...>.-*-.^.^«. „ . ^lM.i..Awai-to^.-s.? efectuar la combustión del módulo de combustible en la región de combustión. El alimentador del agente de control de combustión puede programarse para liberar el agente de control a la región de combustión a una velocidad continua y las señales indicativas de tal velocidad pueden liberarse al controlador alimentador del módulo de combustible y usarse para establecer o reestablecer la velocidad de alimentación del módulo de combustible dentro de la región de combustión. Alternativamente, la velocidad de alimentación del agenté de control de la combustión puede ajustarse en conjunto con el control de la velocidad a la cual el alimentador del módulo de combustible libera los módulos de combustible dentro de la región de combustión.
Breve Descripción de los Dibujos La Fig. 1 es una vista en sección transversal de un horno precalentador/precalcinador que muestra la posición del sistema de liberación de combustible controlada de acuerdo con la invención. La Fig. 2 es una vista en sección transversal parcial del alimentador de combustible. La Fig. 3 es un diagrama del sistema de control para el alimentador de combustible. La Fig. 4 es similar a la Fig. 1, que muestra una modalidad alternativa de la invención.
La Fig. 5 es una vista lateral de un horno modificado con un aparato de la invención. La Fig. 6 es similar a la Fig. 5, que muestra una modalidad alternativa de la invención.
Descripción Detallada de la Invención Se proporciona un aparato para cargar combustible o alimentador de combustible 10 para cargar sólidos de desechos de combustible u otros módulos de combustible dentro de una región de combustión, tal como un ducto de subida 12 de un horno precalcinador o precalentador 14 como se muestra en la Fig. 1. Los módulos de combustible podrían quemarse o pirolizarse en la región de combustión dependiendo de la concentración de oxigeno en la corriente de gas del horno en el punto de la introducción del módulo de combustible. Los hornos precalcinadores o precalentadores 14 incluyen un recipiente rotatorio 13, un ducto subida 12 y una porción de transición de plataforma 16 situada entre el recipiente rotatorio 13 y el ducto de subida 12. Los gases del horno fluyen serialmente en la dirección 23 a través del recipiente rotatorio 13, la porción de transición de plataforma 16 y el ducto de subida 12. El material mineral fluye en la dirección 25 a contracorriente hacia la corriente del gas del horno. El material mineral cae hacia el ducto de subida 12 sobre la porción de transición de plataforma 16 y después dentro y
-*-*-»*- •'- ****- A-fei-i L hacia el recipiente rotatorio 13. La corriente del gas del horno calentada que fluye hacia arriba del ducto de subida 12 en la dirección 23 calienta el material mineral conforme cae hacia el ducto de subida 12 y en ciclones en serie (no mostrados) corriente abajo con relación al flujo del gas del horno del ducto de subida 12. El material mineral se tritura finamente para permitir buena transferencia de calor entre la corriente del gas del horno calentada y el material mineral. Con referencia particularmente a la Fig. 1, el ducto de subida 12 incluye una primera porción 17 colocada por encima de la porción de transición de plataforma 16, un segmento estrecho o segunda porción 18 colocada por encima de la primera porción 17 y la porción de transición de plataforma 16, y un orificio o tercera porción 20 colocada por encima del segmento estrecho 18. El ducto de subida 12 además incluye un eje longitudinal 21 y una entrada de combustible 22 y entrada de partículas finas 24 en una pared del ducto de subida del segmento estrecho 18. El aparato para cargar combustible 10 incluye un hogar 26 y un ariete hidráulico 28 colocado dentro del hogar 26. El hogar 26 incluye una entrada del módulo de combustible 30, una salida del módulo de combustible 32, y una placa térmica movible 34 colocada para llenar una sección transversal del hogar 26 entre la entrada del módulo de combustible 30 y la salida 32. El aparato para cargar combustible 10 se coloca de
modo que la salida del módulo de combustible 32 sea adyacente al puerto ele entrada del combustible del ducto de subida 22, los dos cooperando para formar un pasaje lejos de la entrada del módulo de combustible 30 al interior del segmento estrecho 18, para la introducción de los módulos de combustible para poner en contacto los gases del horno de alta temperatura con la combustión y/o pirólisis subsecuente. Un módulo de combustible 11 se introduce en la entrada del módulo de combustible 30 del aparato para cargar combustible 10, mientras que el ariete hidráulico 28 está en una posición retraída, como se muestra en la Fig. 2. Una vez que el módulo de combustible permanece dentro del hogar 26, el ariete hidráulico 28 se extiende para presionar el módulo de combustible hacia la salida del módulo de combustible 32 y finalmente hacia el puerto de entrada de combustible del ducto de subida 22. Conforme el módulo de combustible 11 se avanza hacia en puerto de entrada de combustible del ducto de subida 22, el módulo de combustible 11 se quema o piroliza sustancial o completamente por los gases del horno calientes como se muestra en la Fig. 1. En las modalidades preferidas, un módulo de combustible 11 cargado en el ducto de subida 12 desde la posición del aparato del cargador de combustible 10 como se representa en la Fig. 1, pirolizaria en lugar de llevar a cabo la combustión, debido a la alta temperatura y muy bajo contenido desoxigeno en el gas del horno en el segmento estrecho 18. El aparato para cargar combustible 10 puede ser cualquier aparato que pueda alimentar materiales de desecho en los ductos de subida del horno. El aparato para cargar combustible 10 es sustancialmente similar al aparato para cargar combustible descrito en la patente de Hansen et al. ?795 que se incorpora en la presente por referencia. Para controlar la combustión del módulo de combustible 11 conforme avanza a través de la entrada de combustible 22, el aparato para cargar combustible 10 incluye un sistema de control 36 que controla la velocidad a la cual el módulo de combustible 11 se avanza en el ducto de subida 12 por el ariete 28. Como se muestra en las Figs. 1 y 3, el sistema de control 36 incluye un controlador de ariete 38 y uno o más detectores 40 en comunicación con el controlador de ariete 38 para proporcionar el controlador de ariete 38 con señales indicativas de la eficiencia de quemado dentro del ducto de subida. Los detectores 40 se colocan en el puerto de entrada de combustible 22 cerca de la pared del ducto de subida 12 para detectar las condiciones cerca de la localización de la introducción del módulo de combustible. Alternativamente, los detectores 40 pueden colocarse corriente abajo del puerto de entrada de combustible 22. Los detectores 40 pueden incluir un detector de oxigeno 42, un detector de temperatura 44, un detector de monóxido de carbono 46 o un detector de hidrocarburos 47. Ninguna combinación de tales detectores u otros detectores puede usarse para proporcionar las señales que corresponden al ambiente detectado dentro del ducto de subida. El controlador de ariete 38 también puede programarse para incluir datos que corresponden a las características del módulo de combustible 48. Las características del módulo 48 incluyen datos relevantes que consideran la forma física o el perfil característico de combustión 50 del módulo de combustible 11 y una curva de calibración de combustión 52 del módulo de combustible 11. El controlador de ariete 38 está en comunicación con el ariete hidráulico 28 y controla la velocidad de extensión del ariete hidráulico 28 y de esta manera, la velocidad de avance del módulo de combustible 11 a través del puerto de entrada de combustible 22, para estar en contacto con los gases del horno de alta temperatura en el ducto de subida 12. La velocidad de avance de combustible se calcula como una función de las señales de los detectores 40 y las características del módulo de combustible 48. La velocidad de extensión puede variarse conforme el módulo de combustible 11 se avanza a través del puerto 22 en el ducto de subida 12. Tal velocidad de extensión variada es importante, por ejemplo, si el módulo de combustible 11 tiene una forma, sección transversal, perfil o composición no uniforme. Considerando
las características del módulo de combustible 48, el controlador de ariete 38 podria variar la velocidad de extensión del ariete hidráulico 28 sensible a las características del módulo de combustible 11 y/o las señales recibidas de los detectores 40. En las modalidades preferidas, se usa un agente de control de combustión 49 para modular la combustión o pirólisis del módulo de combustible 11 y reducir la acumulación de depósitos en el ducto de subida 12. En la modalidad ilustrada, el agente de control es partículas de polvo finas 49, la materia prima usada en la elaboración de cemento Portland. Las partículas de polvo finas 49 se soplan en el ducto de subida 12 a través de la entrada de las partículas de polvo finas 24 en la proximidad del puerto de entrada de combustible 22. Las partículas de polvo finas 49 se colectan de los ciclones (no mostrados) y se almacenan en un colector de ciclón 54. El colector de ciclón 54 se conecta al segmento estrecho 18 del ducto de subida 12 a la entrada de las partículas de polvo finas 24 por via de una linea de alimentación de partículas de polvo finas 56. Se proporciona un soplador 58 para soplar las partículas de polvo finas 49 en el ducto de subida 12, de modo que las partículas de polvo finas 49 se dispersen finamente dentro del ducto de subida 12 en la vecindad del puerto de entrada de combustible 22. Como se muestra en la Fig. 1, en una modalidad preferida de la invención, el ducto de subida 12 por encima de la porción de transición de plataforma 16 se estrecha en el segmento del ducto de subida 18, para crear una diferencial de presión que resulta en la velocidad del gas del horno aumentada a través del segmento del ducto de subida estrecho 18. La primera, segunda y tercera porciones 17, 18, 20, respectivamente, del ducto de subida 12 se diseñan cada una para tener diferentes áreas de sección transversal (en sección transversal con respecto al eje longitudinal 21) . El área de la sección transversal de la primera porción 17 es mayor que el área de la sección transversal de la segunda porción 18 y el área de la sección transversal de la segunda porción 18 es mayor que el área de la sección transversal de la tercera porción 20. Esta estructura del ducto de subida 12 aumenta la velocidad del gas a través del ducto de subida 12 para suspender las partículas de polvo finas 49 en el ducto de subida 12. La entrada de las partículas de polvo finas 24 del ducto de subida 12 puede localizarse en cualquier parte del ducto de subida 12, pero más preferentemente próxima al puerto de entrada del combustible 22. Las partículas de polvo finas son materia particulada finamente triturada y como tal proporcionan dos funciones importantes cuando se soplan en el ducto de subida próximo al aparato para cargar combustible 10. Primeramente, la introducción de las partículas de polvo finas proporciona un
tifcái ..^fe_ta-*Akf. i-a^ área superficial muy grande que trabaja para enfriar el área próxima del ducto de subida 12 para disminuir la velocidad de combustión o pirólisis del módulo de combustible 11. Segundamente, las partículas de polvo finas se enlazan a cualquier combustible pirolizado ayudando de esta manera a prevenir la acumulación de combustible pirolizado sobre las paredes del ducto de subida 12. Aumentando la velocidad del gas del horno, las partículas de polvo finas se levantan y se llevan hacia arriba a través de ducto de subida 12 junto con cualquier combustible pirolizado, proporcionando más oportunidad para prevenir la acumulación de depósitos de combustible sobre las paredes del ducto de subida 12. En las modalidades preferidas, las partículas de polvo finas 49 se introducen en el ducto de subida por el soplador 58 para dispersar finamente las partículas de polvo finas 49 dentro del ducto de subida 12. En las modalidades preferidas, las partículas de polvo finas 49 se precalientan conforme se colectan por el colector de ciclón 54 de los ciclones corriente arriba del aparato cargador de combustible 10. Mientras que se prefieren las partículas de polvo finas precalentadas, en las modalidades alternativas, pueden utilizarse las partículas de polvo finas no calentadas brutas o polvo del horno. En las modalidades alternativas, no se requiere un agente de control. En las modalidades preferidas, las partículas de polvo finas 49 se introducen en el ducto de subida 12 a una velocidad continua y el controlador de ariete 38 cuenta esta velocidad continua de la introducción de las partículas de polvo finas cuando se determina la velocidad de avance del ariete 28. En las modalidades alternativas, el controlador de ariete podria controlar la velocidad de avance del ariete y la velocidad de la alimentación de las partículas de polvo finas basado en factores, tal como las características del módulo de combustible y las condiciones detectadas dentro del ducto de subida. El sistema de control 36 es un microprocesador programable capaz de recibir señales digitales o analógicas de los detectores 40 y capaz de liberar las señales por via de comunicación o telemetría eléctrica al mecanismo de alimentación de combustible 28 para ajustar la velocidad de avance del módulo de combustible 11 a través del puerto de liberación de combustible 22 en el ducto de subida 12. En las modalidades alternativas, el controlador también es capaz de recibir y discriminar señales indicativas de la velocidad de alimentación del agente de control. En aún otra modalidad alternativa, el controlador también controla y ajusta la velocidad de alimentación del agente de control en conjunto con la determinación de la velocidad de alimentación del módulo de combustible. El sistema de control 36 interconecta con el ariete de cualquier tipo de sistema de avance mecánico 28 para alimentar el módulo de combustible 11 dentro del ducto de subida 12 a una velocidad de tal manera que la eficiencia de quemado del módulo de combustible se optimice con el beneficio concomitante a la calidad de la corriente del gas efluente. El módulo de combustible 11 se quema o piroliza conforme avanza a través del puerto 22. La última porción del módulo de combustible 11 que avanza a través del puerto 22 podria caer hacia el ducto de subida 12 sobre la porción de transición de plataforma 16. El aparato para cargar combustible 10 también podria usarse con un ducto de subida 112 de un horno precalentador o precalcinador 114 como se muestra en la Fig. 4-6. Una diferencia entre los ductos de subida 12, 112 es que el ducto de subida 112 no incluye el segmento estrecho 18 del ducto de subida 12. El ducto se subida 112 incluye una primera porción 117 colocada por encima de la porción de transición de plataforma 116 y un orificio o segunda porción 118 colocada por encima de la primera porción 117. La primera porción 117 y el orificio 118 del ducto de subida 112 son sustancialmente similares a la primera porción 17 y el orificio 18 del ducto de subida 12. El ducto de subida 112 se encuentra comúnmente en la industria en aplicaciones de hornos precalentadores/precalcinadores corrientes y podria modificarse para recibir módulos de combustible 11 y
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partículas de polvo finas 49. Debido a que el ducto de subida 112 no incluye una porción similar al segmento estrecho 18 del ducto de subida 12, es posible que la velocidad del gas del horno en el ducto de subida 112 no será suficientemente alta en la región por debajo del orificio 120 para llevar las partículas de polvo finas 49 hacia arriba a través del ducto de subida 112. De esta manera, el ducto de subida 112 incluye una entrada de partículas de polvo finas 124 colocada directamente por encima de una entrada de combustible 122 para permitir que las partículas de polvo finas 49 caigan hacia abajo a través del ducto de subida 112 hacia la combustión o pirólisis del módulo de combustible 11. Las Figs. 4-6 muestran tres diferentes localizaciones para la introducción de módulos de combustible 11 y partículas de polvo finas 49 en el horno 114. En la Fig. 4, la entrada de combustible 122 y la entrada de partículas de polvo finas 124 se colocan por debajo del orificio 120. En las modalidades preferidas de operación, los módulos de combustible 11 se pirolizan en lugar de quemarse cuando se introducen en la localización mostrada en la Fig. 4, debido al bajo contenido de oxigeno de los gases del horno en tal punto en el horno. La entrada de combustible 122 y la entrada de partículas de polvo finas 124 del ducto de subida 112 también podrían colocarse or encima del orificio 120 como se muestra en la Fig. 5.
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El aparato para cargar combustible 10 también podria colocarse adyacente a un ducto de aire terciario 62 del horno 112 como se muestra en la Fig. 6. El ducto de subida 112 incluye una entrada de aire terciaria 60 y el ducto de aire terciario 62 se acopla a la entrada de aire terciaria 60, para proporcionar gas calentado al ducto de subida 112 para ayudar adicionalmente a la combustión. El ducto de aire terciario 62 incluye una entrada de combustible 63 cerca del ducto de subida 12 y una entrada de partículas de polvo finas 65 colocada por encima de la entrada de combustible 63. El ducto de aire terciario 62 introduce oxigeno (aire) dentro del ducto de subida 12, lo que resulta en la combustión del módulo de combustible 11 conforme se introduce dentro del ducto de aire terciario 62 en la localización mostrada en la Fig. 6. En las modalidades ilustradas de la invención, sólo se proporciona un aparato cargador de combustible 10 en el ducto de subida 12, 112 y el ducto de aire terciario 62. En modalidades alternativas, los aparatos cargadores de combustible múltiples podrían situarse en un ducto de subida y/o ducto de aire terciario para proporcionar distribución igual del combustible en el ducto de subida, para el mezclado de combustible/oxigeno óptimo. Aunque la invención se ha descrito y definido en detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas, existen variaciones y modificaciones dentro del alcance y espíritu de la invención como se describe en la presente. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.
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