QUEMADOR CON CHORRO DE AIRE CENTRAL DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona en general a quemadores de combustible y en particular, a un nuevo y útil quemador de carbón pulverizado y un método de combustión el cual consigue bajas emisiones de N0X al suministrar oxigeno directamente al centro de la flama del quemador en una manera para crear una zona de combustión interna rica en combustible dentro de la flama del quemador y acelerar la combustión del combustible. El NOx es un subproducto producido durante la combustión del carbón y otros combustibles fósiles. Las inquietudes ambientales con respecto a los efectos del NOx han impulsado la promulgación de regulaciones de emisiones de NOx que requieren la reducción sostenida de emisión de NOx a partir de centrales eléctricas industriales y de servicios públicos en varios países incluyendo los Estados Unidos. Los métodos y aparatos comerciales actuales para reducir emisiones de NOx han sido exitosos en disminuir emisiones de N0X a partir de niveles emitidos en años previos; sin embargo, avances adicionales, más allá de aquellos de los métodos y aparatos actualmente conocidos son necesarios para mantener el cumplimiento con regulaciones de emisiones de N0X actuales . Una variedad de quemadores de ?0X bajo están comercialmente disponibles y se utilizan ampliamente para quemar carbón pulverizado (PC) y otros combustibles fósiles en una manera de reducción de N0X cuando se comparan a quemadores convencionales. Ejemplos de tales quemadores son quemadores DRB-XCL® y DRB-4Z® de la Compañía The Babcock & Wilcox. Común a estos y otros diseños de quemador de N0X bajo es una boquilla de carbón axial rodeada por múltiples zonas de aire las cuales suministran aire secundario (SA) . Durante la operación, el PC suspendido en una corriente de aire primaria (PA) , se inyecta dentro del horno a través de una boquilla de carbón axial, como un chorro axial, con poca o ninguna desviación radial . La ignición del PC se consigue al arremolinarse el SA, por lo que se provoca recirculación de gases calientes a lo largo del chorro de combustible entrante . Normalmente, una fracción del SA se suministra a una zona de aire en proximidad cercana a la boquilla de carbón y se arremolina a un grado relativamente mayor que el suministro de SA a las otras zonas de aire para lograr ignición. El SA restante del quemador se introduce a través de las zonas de aire exteriores adicionales en el quemador utilizando menos turbulencia, de manera que se mezclan lentamente dentro de la flama del quemador, por lo que se proporcionan condiciones ricas en combustible en la raíz de la flama. Tales condiciones promueven la generación de hidrocarburos los cuales compiten para oxigeno disponible y sirven para destruir N0X y/o inhibir la oxidación del nitrógeno molecular y unido al combustible de N0X. Las emisiones de N0X pueden reducirse además por combustión en etapas, en donde se proporciona el quemador con menos de oxígeno estequiométrico para combustión completa. Un ambiente rico en combustible resulta en la flama del quemador. El ambiente rico en combustible inhibe la formación de N0X al forzar los precursores de N0X para competir con combustible no combustionado en un ambiente pobre en oxígeno. La combustión se ejecuta entonces proporcionando oxígeno en exceso a la caldera en un punto sobre el quemador en donde el combustible en exceso se quema a una temperatura inferior, impidiendo de este modo la producción de N0X ya que la combustión ocurre en una temperatura inferior lejos de la flama del quemador. La separación en etapas sirve también para reducir concentraciones de oxígeno durante el proceso de combustión el cual inhibe la oxidación de nitrógeno unido al combustible (N0X de combustible) . El oxígeno para combustión en etapas se proporciona normalmente en la forma de aire a través de puertos en etapas de aire, comúnmente llamados puertos de Aire Sobre la Capa Superior (OFA) , en un sistema que utiliza quemadores de NOx bajo. La Patente Norteamericana No. 5,697,306 para LaRue y la Patente Norteamericana No. 5,199,355 para LaRue, incorporadas en la presente para referencia, describen quemadores de N0X bajo que pueden combinarse con métodos de combustión en etapas de aire para reducir además emisiones de N0X. Al contrario de los quemadores convencionales, los quemadores de N0X bajo tienden a formar flamas largas y producir niveles elevados de combustibles no quemados. Las flamas largas no son siempre deseables ya que pueden ser incompatibles con la profundidad o la altura del horno, y pueden deteriorar la operación de la caldera al provocar el choque de flama, desescoriado y/o corrosión del tubo de la caldera. Las flamas largas resultan a partir de un suministro de aire insuficiente al chorro de combustible cuando éste prosigue dentro del horno. El SA de las zonas de aire externas de los quemadores de NOx bajo no penetra efectivamente el chorro de combustible corriente abajo, de manera que el combustible no quemado persiste debido a una carencia de suministro de aire a lo largo del eje de la flama. Niveles elevados de combustible no quemado son indeseables en ambos hornos con OFA y aquellos sin él. Los combustibles no quemados en la forma de carbón no quemado y CO reducen la eficiencia de la caldera y agregan gastos de operación, mientras que el carbón pulverizado no quemado, por la naturaleza de su abrasividad, puede provocar daño erosivo indeseable al horno mismo.
El mezclado de aire/combustible incompleto más allá de un sistema OFA puede causar cantidades excesivas de combustible no quemado que persiste hasta los puertos OFA. Cuando grandes cantidades de combustible no quemado trata de quemarse con aire en la zona de OFA, la formación de N0X puede incrementarse, por lo que se minimiza o anula el beneficio de combustión en etapas con OFA. Además, se vuelve cada vez más difícil quemar completamente estos combustibles en y más allá de los puertos OFA, de manera que se agregan dificultades de incompetencia y operacionales. La presente invención soluciona los problemas antes mencionados asociados con la combustión retardada producida por quemadores de NOx bajo típicos e introduce un nuevo aparato y método quemador para quemar combustibles fósiles que reducen además emisiones de N0X en calderas comerciales y de servicios públicos. Un quemador de acuerdo con la presente invención es adecuado para quemar carbón pulverizado (PC) o hidrocarburos gaseosos . La presente invención comprende una zona axial concéntricamente rodeada por una primera zona anular. La primera zona anular proporciona combustible al quemador a una velocidad predeterminada de manera que crea un chorro de combustible que sale del quemador y que forma subsecuentemente una flama de quemador a través de la combustión en la presencia de oxígeno. La zona axial produce un chorro de aire central al perforar la flama del quemador a lo largo de su eje interno. El chorro de aire central proporciona oxígeno a lo largo del eje central de la flama del quemador, permitiendo a la flama combustionarse de dentro hacia afuera, mientras que se mantiene un ambiente rico en combustible total en la raíz de la flama por lo que se suprime la formación de N0X. El oxígeno adicional suministrado por segundas y terceras zonas anulares que rodean concéntricamente la primera zona anular reduce además la formación de NOx mientras que proporciona un medio para acelerar la combustión. Los dispositivos de condicionamiento de flujo de las segundas y terceras zonas anulares suprimen aerodinámicamente la expansión de chorro de combustible. Dentro de esta supresión aerodinámica, la turbulencia a partir del aire que sale de la segunda y tercera zonas anulares crea una zona de recirculación interna a lo largo del límite externo de la zona de flama la cual inhibe la formación de N0X. La zona de recirculación interna (IRZ) provoca N0X formado a lo largo de la periferia rica en aire externo de la flama que recircula de nuevo dentro del núcleo de flama rico en combustible. La temperatura de flama más caliente, que resulta a partir de la combustión de dentro hacia afuera del chorro de aire central, provoca radicales de hidrocarburo no combustionados para eliminar oxígeno disponible dentro de la IRZ, por lo que se suprime la formación de N0X, y se reduce NO de nuevo a otra especie nitrogenosa. Una flama más pequeña, más amplia envolvente resulta cuando la temperatura de la flama se incrementa debido a la combustión acelerada del combustible a partir de dentro hacia fuera y de afuera hacia adentro dentro de la IRZ. Otro aspecto de la presente invención puede considerarse un método para reducir las emisiones de N0X en un quemador de chorro de aire central que comprende, proporcionar un quemador que tiene una zona axial concéntricamente rodeada por una primera zona anular, proporcionando la zona axial con un primer gas que comprende oxígeno, en donde el primer gas sale de la zona axial a una velocidad entre aproximadamente 5000 pies/minutos y aproximadamente 10,000 pies/minutos, proporcionando la primera zona anular con un gas portador que comprende un carbón pulverizado, en donde el gas portador sale de la zona axial a una velocidad entre aproximadamente 3000 pies/minutos y aproximadamente 5000 pies/minutos. Aún otro aspecto de la presente invención puede considerarse un método para reducir emisiones de N0X en un quemador de chorro de aire central que comprende, proporcionar un quemador de cuatro zonas, en donde la zona más interna es una zona axial rodeada concéntricamente por una primera zona anular, la cual a su vez se rodea concéntricamente por una segunda zona anular, la cual a su vez se rodea concéntricamente por una tercera zona anular, proporcionando la zona axial con un primer gas que comprende oxígeno, proporcionando la primera zona anular con un gas portador que comprende un carbón pulverizado, proporcionando la segunda zona anular con un segundo gas que comprende oxígeno, proporcionando la tercera zona anular con un tercer gas que comprende oxígeno, proporcionando el quemador con el gas portador a una velocidad mayor de aproximadamente 3000 pies/minutos, proporcionando el quemador con el primer gas a una velocidad mayor que el gas portador, proporcionando el quemador con el segundo gas a una velocidad menor que el gas portador, proporcionando el quemador con el tercer gas a una velocidad mayor que el gas portador, combustionando el carbón pulverizado en la corriente de gas portador a partir del interior de la corriente con el primer gas, combustionando el carbón pulverizado en la corriente de gas portador a partir del exterior con el segundo gas y el tercer gas, utilizando el gradiente de velocidad entre las cuatro zonas anulares para crear una zona de recirculación dentro de una flama del quemador, suprimiendo la formación de NOx y acelerando la combustión por recirculación de carbón no combustionado y oxígeno en la flama del quemador. Las diversas características de novedad las cuales caracterizan la presente invención se indican con particularidad en las reivindicaciones anexas y forman una parte de esta descripción. Para un mejor entendimiento de la invención, sus ventajas operativas y beneficios específicos logrados por sus usos, se hace referencia a los dibujos anexos y la materia descriptiva en la cual se ilustran las modalidades preferidas de la invención. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1 es una vista en corte esquemática de una modalidad de la presente invención; La FIGURA 2 es una vista esquemática de una modalidad de la presente invención en donde las flechas identifican las trayectorias de flujo del aire y el carbón; La FIGURA 3 es una vista exterior de una modalidad de ensamble del quemador de la presente invención, que identifica la ubicación del ducto 9 de alimentación; y La FIGURA 4 es una vista en corte transversal esquemática de una modalidad de la presente invención la cual identifica las zonas concéntricas de la presente invención. Con referencia a los dibujos, en donde generalmente números similares designan las mismas o características funcionalmente similares, a través de las diversas vistas y al comienzo de la FIGURA 1, se muestra una vista en corte esquemática de un quemador descrito de acuerdo con la presente invención. La tubería 6 axial, que define una zona 25 axial en la misma, se rodea concéntricamente por una primera tubería 3 anular en donde el área entre las dos tubería define una primera zona 11 anular. Radialmente interpuesto entre una porción de una primera tubería 3 anular y una tubería 6 axial está el ducto 9 alimentador de manera que la tubería 6 axial y la caja del viento 51 están en comunicación de fluido con los extremos opuestos del ducto 9 alimentador. Con referencia ahora a la FIGURA 3, se proporciona una vista superior del ducto 9 alimentador interpuesto radialmente entre al menos una porción de la primera tubería
3 anular y la tubería 6 axial (no mostrada en la FIGURA 3) , de manera que la tubería 6 axial y la caja del viento 51 están en comunicación de fluido con los extremos opuestos del ducto 9 alimentador. Con referencia de nuevo a la FIGURA 1, se suministra aire secundario por ventiladores de corriente de aire forzado (no mostrados) , precalentados en calentadores de aire (no mostrados), y bajo presión a la caja del viento 51. El ducto 9 alimentador a su vez proporciona aire secundario desde la caja del viento 51 a la tubería 6 axial, a una velocidad controlada por el amortiguador 10. Un dispositivo 12 de medición de flujo de aire cuantifica el aire secundario que fluye a través del ducto 9 alimentador. Un pulverizador (no mostrado) muele carbón el cual se transporta con aire primario a través de un conducto conectado a un codo 2 del quemador. Un deflagrador (no mostrado) puede colocarse en el eje del quemador, penetrando el codo 2, el tapón 5 y extendiéndose a través de la tubería 6 axial . El carbón pulverizado y el aire 1 primario (PA/PC) pasan a través del codo 2 del quemador. El carbón pulverizado viaja generalmente a lo largo del radio externo del codo 2 y se concentra dentro de una corriente a lo largo del radio externo en la salida del codo. El carbón pulverizado entra primero a la zona 11 anular y se topa con un deflector 4 el cual redirige la corriente de carbón dentro del tapón 5 y dispersa el carbón. La tubería 6 axial se une al lado corriente abajo del tapón 5. La primera tubería 3 anular se expande en la sección 3A para formar una sección 3B de diámetro más grande. El carbón disperso viaja a lo largo de la primera zona 11 anular en donde las barras y los cheurones 7 proporcionan distribución más uniforme del carbón pulverizado antes de salir de la primera zona 11 anular como un chorro de combustible. Las piezas 9A y 9B en forma de cuñas (Figura 3) proporcionan una trayectoria de flujo más perfilada para el PA/PC 1 cuando viaja a lo largo del ducto 9 alimentador. Un dispositivo 30 de condicionamiento de flujo puede utilizarse para dispersar el carbón para incrementar la velocidad a la cual interactúa con el aire secundario. El dispositivo 30 de condicionamiento de flujo puede consistir de deflectores ciclónicos y/o uno o más cuerpos achatados para obstruir a nivel local el flujo e inducir turbulencia. Otro dispositivo 13 de condicionamiento de flujo puede colocarse en el extremo de la tubería 6 axial para proporcionar flujo más uniforme al aire secundario cuando sale de la zona 2E axial dentro de la garganta 8 del quemador y fuera del horno (no mostrado) en la forma de un chorro de aire central. El dispositivo 13 de condicionamiento de flujo puede ser deflectores, placas perforadas u otros dispositivos comúnmente utilizados para proporcionar flujo más uniforme. En algunos casos, el dispositivo 13 de condicionamiento de flujo puede proporcionar turbulencia al aire central para acelerar además la ignición del carbón y reducir las emisiones . Un aspecto relacionado al método operacional de la presente invención es la creación de un chorro de aire central dentro con la corriente de chorro de combustible cuando sale de la garganta 8 y entra al horno. De preferencia, el chorro de aire central tendrá una velocidad que exceda de aquella del chorro de combustible, de manera que se crea un gradiente de velocidad dentro de la flama el cual promueve la ignición del combustible desde dentro hacia fuera utilizando el oxígeno a partir del chorro de aire central . Las condiciones de operación óptimas ocurren cuando el PA/PC sale de la primera zona anular a una velocidad entre aproximadamente 3,000 pies/minutos y aproximadamente 5,000 pies/minutos, y e mayor preferencia entre aproximadamente 3,500 pies/minutos y aproximadamente 4,500 pies/minutos. Las condiciones de operación óptimas ocurren además cuando el aire secundario sale de la zona 25 axial a una velocidad entre aproximadamente 5,000 pies/minutos y 10,000 pies/minutos, y de mayor preferencia entre aproximadamente 5,500 pies/minutos y' 7,500 pies/minutos. El amortiguador 15 controla la entrada de aire secundario adicional al ensamble del quemador. Cuando en el amortiguador 15 de posición abierta se permite que el aire secundario fluya dentro de una segunda zona 16 anular que rodea concéntricamente la primera zona 11 anular, en donde la segunda zona 16 anular se define como el área entre la tubería 3B y el barril 19. El amortiguador 15 permite además al aire secundario fluir dentro de la tercera zona 17 anular rodeando concéntricamente la segunda zona 16 anular, en donde la tercera zona 16 anular se define como el área entre el barril 19 y la pared 38 de la zona del quemador exterior. El amortiguador 15 puede colocarse para regular de preferencia el aire secundario a una zona sobre la otra, o para suministrar cantidades menores de aire secundario a ambas zonas. Un deflagrador (no mostrado) puede situarse opcionalmente en la zona 17 anular, si no fuera a través de la tubería 6. Las condiciones de operación óptimas para utilizar las tres zonas anulares que proporcionan aire secundario para combustión ocurren cuando entre aproximadamente 20 por ciento y aproximadamente 40 por ciento del oxígeno total provisto al quemador por el aire secundario se proporciona a través de la zona 25 axial, de mayor preferencia entre aproximadamente 25 por ciento y 35 por ciento. Aproximadamente 10 por ciento a aproximadamente 30 por ciento del oxígeno total provisto al quemador por aire secundario se proporciona a través de la segunda zona 16 anular, de mayor preferencia entre aproximadamente 15 a aproximadamente 25 por ciento. Aproximadamente 40 por ciento a aproximadamente 70 por ciento del oxígeno total provisto al quemador por el aire secundario se proporciona a través de la tercera zona 17 de aire anular, de mayor preferencia entre aproximadamente 50 por ciento a aproximadamente 65 por ciento. El dispositivo 18 de medición de flujo de aire mide el flujo de aire secundario a través de la segunda zona 16 anular y la tercera zona 17 anular. Las condiciones de operación óptimas ocurren cuando el aire secundario sale de la segunda zona 16 anular a una velocidad entre aproximadamente 3000 pies/minutos y aproximadamente 4500 pies/minutos, de mayor preferencia entre aproximadamente 3100 pies/minutos y aproximadamente 3900 pies/minutos. Además, cuando el aire secundario sale de la tercera zona 17 anular a una velocidad entre aproximadamente 5500 pies/minutos y aproximadamente 7500 pies/minutos, de mayor preferencia, la velocidad está entre aproximadamente 5700 pies/minutos y aproximadamente 6700 pies/minutos. Las condiciones de esfuerzo cortante de aire óptimo ocurren generalmente cuando el diámetro interno de la zona axial está entre aproximadamente 22.86 cm (9 pulgadas) y aproximadamente 50.8 cm (20 pulgadas), el diámetro interno de la primera zona anular está entre aproximadamente 38.1 cm (15 pulgadas) y aproximadamente 76.2 cm (30 pulgadas), el diámetro interno de la segunda zona anular está entre aproximadamente 50.8 cm (20 pulgadas) y aproximadamente 101.6 cm (40 pulgadas), y cuando el diámetro interno de la tercera zona anular está entre aproximadamente 55.8 (22 pulgadas) y aproximadamente 127 cm (50 pulgadas) . Los deflectores 21 ajustables se sitúan en la segunda zona 16 anular que proporciona aire secundario, se arremolina antes de salir de la segunda zona 16 anular. Otros dispositivos de distribución de aire tales como placas perforadas y rampas pueden instalarse también en el extremo de la segunda zona 16 anular. Los deflectores 22A y los deflectores 22B ajustables imparten turbulencia al aire secundario que pasa a través de una tercera zona 17 anular. Cuando el aire arremolinado deja la tercera zona 17 anular, el deflector 23, el cual puede colocarse alternativamente a la mitad de la salida de la zona de aire, desvía parte del aire fuera de la zona de combustión primaria. Con referencia ahora a la FIGURA 2, una descripción gráfica, en donde las flechas identifican las trayectorias de flujo del aire secundario y se proporciona PA/PC 1. En una modalidad alternativa, un gas que comprende oxígeno en una concentración mayor que el aire puede utilizarse en lugar de todo o parte del aire secundario. En otra modalidad alternativa, un combustible hidrocarburo diferente del carbón pulverizado puede utilizarse como combustible. En otra modalidad alternativa, puede colocarse un conducto central dentro de la zona 25 axial de manera que la tubería 6 axial rodea concéntricamente el conducto central . En tal modalidad, el conducto central puede alojar un deflagrador, un atomizador de aceite o gas alternativo, o una lanza para la introducción de oxígeno concentrado o combustible de hidrocarburo adicional dentro del núcleo de la flama ya sea axialmente o por dispersión radial. En otra modalidad alternativa, una pluralidad de conductos centrales puede colocarse dentro de la zona 25 axial de manera que la tubería 6 axial rodea concéntricamente cada uno de la pluralidad de conductos. En tal modalidad, la pluralidad de los conductos centrales puede proporcionar oxígeno concentrado en más de una corriente, o al menos uno de los conductos puede proporcionar carbón adicional u otro combustible de hidrocarburo para combustión. En otra modalidad múltiples ductos alimentadores y/o ventiladores impulsores o conductos pueden utilizarse para proporcionar aire secundario adicional u oxígeno a la zona 25 axial. En otra modalidad la combustión en etapas se utiliza con el quemador y los métodos de reducción de N0X de la presente invención que reducen además las emisiones de NOx. En aún otra modalidad puede diseñarse un sistema de ducto de aire alternativo en donde el aire secundario se conduce a través de la pared 51B externa de la caja del viento 51 y se alimenta dentro de la zona 25 axial a través del radio externo de un codo del quemador agrandado o en otro lugar para formar una zona 25 axial en conexión de fluido con la caja del viento 51. Aunque las modalidades específicas de la invención se han mostrado y descrito en detalle para ilustrar la aplicación de los principios de la invención, se entenderá que la invención puede manifestarse de otro modo como se aprecia por alguien con experiencia ordinaria en la técnica sin apartarse del alcance de la presente invención.