MXPA99002009A - Calentamiento con atmosfera protectora - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para calentar y/o fundir una carga tal comoaluminio en un horno usando calor generado por combustión para calentar por radiación la carga a través de una capa de gas protector en donde los productos de la reacción de combustión generados por la combustión son expulsados desde un nivel inferior dentro del horno, y, durante el fundido, la capa de gas protector tiene un límite superior más alto que durante un período de calentamiento subsecuente, permitiendo la generación reducida de NOX, consumo menor de combustible y, oxígeno y corrosión reducida de refractario evitando, para esto, que el gas del horno fluya a través de la región superior del horno de alta temperatura.

Description

CALENTAMIENTO CON ATMOSFERA PROTECTORA CAMPO TÉCNICO Esta invención se refiere generalmente al calentamiento y/o fundido de una carga tal como aluminio.

ARTE ANTECEDENTE Con frecuencia en la operación de hornos industriales se desea que se proporcione calor a una carga de horno tal como aluminio dentro del horno para calentar y/o fundir la carga. Mientras el calor puede ser generado por un número de medios, tales como por bobinas de resistencia eléctrica, es generalmente más económico generar el calor mediante la combustión de combustible con un oxidante. Hasta recientemente, el aire ha sido el oxidante preferido debido a su bajo costo. Sin embargo, muchos hornos industriales han sido cambiados o serán cambiados pronto a un oxidante que tenga una concentración mayor de oxígeno que la del aire con el fin de tomar ventaj a de la eficiencia mejorada de energía y de los beneficios ambientales alcanzables con tal combustión oxi-combustible. El uso de la combustión para generar calor para calentar una carga puede tener un efecto perjudicial en la carga. Aquellos expertos en el arte han aludido este problema potencial proporcionando una atmósfera protectora sobre la superficie de la carga entre la carga del horno y la reacción de combustión. Los gases de combustión son expulsados del horno desde arriba de la reacción de combustión para asegurar que los gases de combustión queden bien removidos de la superficie de la carga. Un desarrollo reciente importante en esta área se describe y reivindica en la Patente de E.U. , No. 5,563, 903-JebraiI et al . Aunque este arreglo de calentamiento protector de atmósfera convencional ha dado resultados aceptables cuando la altura de la superficie superior de la carga es baja con relación a la altura del quemador o cuando la carga es fundida, se han experimentado niveles relativamente altos de generación de NOx con este sistema. Además, el consumo de combustible y oxidante es relativamente alto y la corrosión potencial de las paredes refractarias y partes del quemador dentro del horno son una preocupación. Por consiguiente, es un objetivo de esta invención proveer un método para proporcionar calor a un volumen grande de carga de horno usando combustión con una atmósfera protectora entre ellos lo cual permite la generación reducida de óxidos de nitrógeno (NOx). Es otro objetivo de esta invención proveer un método para proporcionar calor a una carga de horno usando combustión oxi-combustible con una atmósfera protectora entre ellos lo cual permite el consumo reducido de combustible y oxidante. Es un objetivo adicional de esta invención proveer un método para proporcionar calor - a una carga de horno usando combustión con una atmósfera protectora entre ellos lo que permite combustión con una atmósfera protectora entre ellos lo que permite al horno operar con un nivel reducido de corrosión refractaria.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los anteriores y otros objetivos, que se harán aparentes a aquellos expertos en el arte mediante una lectura de esta descripción, son alcanzados por la presente invención, un aspecto de la cual es: Un método para proporcionar calor a una carga de horno contenida en un horno que tiene un piso, que comprende: (A)proveer combustible y oxidante al horno y quemar el combustible y el oxidante dentro del horno generando calor y productos de reacción de combustión y que forman una capa de combustión dentro del horno, por lo menos uno de dichos combustible y oxidante siendo proporcionado al horno a una primera distancia vertical arriba del piso; (B)proveer gas protector al horno a una segunda distancia vertical arriba del piso, dicha segunda distancia vertical siendo menor que la primera distancia vertical, y que forma una capa de gas protector dentro del horno entre por lo menos algo de la carga del horno y la capa de combustión; (C) radiar calor de la capa de combustión a través de la capa protectora y la carga del horno; y (D) extraer los productos de la reacción de combustión del horno desde abajo de la primera distancia vertical .

Otro aspecto de la invención es: Un método para proveer calor a una carga de horno contenida en un horno que tiene un piso, que comprende: (A)proveer combustible y oxidante al horno y quemar el combustible y el oxidante dentro del horno generando calor y productos de la reacción de combustión y formando una capa de combustión dentro del horno, por lo menos uno de dichos combustible y oxidante siendo proporcionados al horno a una primera distancia vertical arriba del piso; (B)proveer gas protector al horno a una segunda distancia vertical por encima del piso, dicha segunda distancia vertical siendo menor que la primera distancia vertical, y formando una capa de gas protector dentro del horno entre por lo menos algo de la carga del horno y la capa de combustión; (C) radiar calor de la capa de combustión a través de la capa protectora y a la carga del horno durante un ciclo de dos porciones que tiene una primera porción de fundido y una segunda porción de baño plano en donde la capa protectora tiene un límite superior por arriba del piso durante la porción de fundido la cual es más alta que el límite superior de la capa protectora durante la porción de baño plano; y (D) extraer los productos de reacción de combustión del horno desde o por encima de la segunda distancia vertical.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una representación simplificada de sección transversal de una modalidad de un horno de fundido de aluminio que ilustra el método de esta invención durante la porción inicial del ciclo de fundido después que el horno ha sido cargado con una cantidad grande de materiales de chatarra de aluminio. La Figura 2 es una representación simplificada de sección transversal del mismo horno de fundido de aluminio durante el período de baño plano del ciclo de fundido después que la carga del horno ha sido fundida completamente de manera substancial. La Figura 3 es una representación simplificada de sección transversal de una modalidad de un horno de prueba usado para ilustrar el método de esta invención. La Figura 4 es una representación simplificada de sección transversal de otra modalidad de un horno de prueba usado para ilustrar el método de esta invención. Los numerales en los Dibujos son los mismos para los elementos comunes.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención incorpora el descubrimiento de que se obtienen ciertas ventaj as inesperadas cuando un volumen grande de material es cargado a un horno empleando una atmósfera protectora, o si los gases de combustión generados por la combustión en un horno que emplea una atmósfera protectora entre la carga y la reacción de combustión son expulsados del horno por debajo del nivel de escape convencional el cual ha sido considerado hasta ahora necesario para alcanzar la protección requerida de la carga del horno. Estas ventajas inesperadas están a un nivel más alto de la atmósfera protectora cubriendo la mayor parte de la carga del horno durante la fundición, un nivel menor de generación de NOx, un consumo reducido de combustible y oxidante, y un nivel reducido de corrosión del horno refractario. Cada una de estas ventajas proporciona utilidad significativa a la invención y juntas proporcionan un avance muy significativo a la práctica del calentamiento y fundido industriales. En la discusión de la invención con relación a las elevaciones verticales por arriba del fondo o piso 5 del horno, tales elevaciones o distancias son con respecto al punto más alto del piso del horno al punto más alto de la portilla del quemador, a la portilla de lanza de oxígeno, a la portilla del inyector del gas protector, o a la portilla de escape de gases de chimenea. El combustible y el oxidante pueden ser proporcionados al horno conjuntamente tal como desde un quemador de pre-mezclado o de post-mezclado o pueden ser proporcionados al horno separadamente tal como a través de lanzas o lancetas de combustible y oxígeno, las cuales están en comunicación de flujo con las fuentes de combustible y oxidante. El combustible y el oxidante pueden ser proporcionados al horno usando un quemador sencillo o una pluralidad de quemadores. Por lo menos uno del combustible y el oxidante, y preferiblemente ambos del combustible y el oxidante, son proporcionados al horno a una primera distancia vertical arriba del piso 5 para que la reacción de combustión subsecuente sea mantenida sin aproximarse a la superficie superior de la carga durante el grueso del ciclo de calentamiento y/o fundido. Esta primera distancia vertical está típicamente dentro del rango de desde 0.1 a 2 veces el ancho más angosto del horno. El combustible puede ser cualquier combustible líquido capaz de quemarse dentro de un horno para generar calor. Entre tales combustibles uno puede nombrar metano, gas natural, aceite e hidrógeno. El oxidante es un ñuido que comprende por lo menos 15 por ciento en mol de oxígeno. Preferiblemente el oxidante tiene una concentración de oxígeno de por lo menos 30 por ciento en mol, más preferiblemente por lo menos 90 por ciento en mol. El oxidante puede ser oxígeno puro comercialmente teniendo una concentración de oxígeno de por lo menos 99.5 por ciento en mol. Típicamente el balance del oxidante está constituido principalmente de nitrógeno. El oxidante puede ser una mezcla de aire, oxígeno comercial y gas de chimenea reciclado. El combustible y el oxidante se queman dentro del horno generando calor y productos de la reacción de combustión. Los productos de la reacción de combustión incluyen productos de combustión completa tales como dióxido de carbono y vapor de agua, y pueden incluir productos de combustión incompleta tales como monóxido de carbono, combustible sin quemar, oxígeno y nitrógeno sin quemar. La reacción de combustión y los productos de la reacción de combustión resultantes forman una capa 6 de combustión dentro del horno. La mayor parte de las reacciones de combustión tienen lugar en la región 13 de flama visible arriba de la superficie superior de la carga del horno típicamente a y arriba de la primera distancia vertical y la capa 6 de combustión se extiende por debajo de la primera distancia vertical debido al mezclado natural con el gas protector introducido por abajo. El gas protector es proporcionado al horno a través de uno o más inyectores 8 cerca del y por arriba del nivel 7 de superficie superior del baño plano eventual de la carga a una segunda distancia vertical arriba del piso 5, la cual es menor que la primera distancia vertical, y está típicamente dentro del rango de desde 0.01 hasta 0.75 veces el ancho más angosto del horno. Los inyectores 8 están en comunicación de flujo con una fuente de gas protector (no mostrado). El gas protector forma una capa 12 de gas protector dentro del horno, incluyendo los espacios vacíos dentro de la pila de los materiales de la carga, entre el piso 5 y la capa 6 de combustión, protegiendo así la mayor parte o toda la carga del horno de los productos de la reacción de combustión. La capa de gas protector sirve como una barrera física para mantener los productos de la reacción de combustión fuera del contacto y sin dañar la carga del horno. La capa de gas protector tiene una altura o límite superior 9 durante la porción de fundido del ciclo que es más alta que su altura o límite superior 10 durante la porción de baño plano del ciclo. Este límite superior de la capa de gas protector cae conforme la carga es fundida durante la porción de fundido del ciclo. La composición del gas protector variará dependiendo de que gas particular se necesita para proteger una carga de horno en particular. Generalmente el gas protector abarcará nitrógeno. Otros gases que pueden ser usados para hacer el gas protector incluyen oxígeno, argón y gas natural. Mezclas comprendiendo dos o más componentes también pueden ser usados para hacer el gas protector. Cuando gas reactivo tal como oxígeno se usa en el gas protector, se pretende que el gas protector cause una reacción favorable con la carga. La combustión oxi-combustible convencional se lleva a cabo a una velocidad relativamente elevada para asegurar buen mezclado del combustible y el oxidante para evitar puntos calientes localizados y niveles relativamente altos de generación de NOx. Sin embargo, en la práctica de esta invención, es imperativo que la capa de gas de combustión, así como la capa de gas protector, pasen a través del horno a velocidades relativamente bajas para evitar turbulencia excesiva la cual podría causar intermezclado significativo de las dos capas resultando en adulteración de la capa de gas protector con una pérdida concomitante de la capacidad protectora de la capa de gas protector. Consecuentemente, el combustible y el oxidante son proporcionados al horno de manera que los gases en la reacción de combustión consiguiente tengan una velocidad promedio en peso de flujo de masa de no más de 36.6 metros por segundo (mps), preferiblemente no más de 15.25 mps, más preferiblemente no más de 9.15 mps, y el gas protector es proporcionado al horno de manera que la capa de gas protector es introducida al horno a una velocidad promedio de no más de 36.6 mps, preferiblemente no más de 15.25 mps, más preferiblemente no más de 9. 15 mps. La velocidad promedio en peso de flujo de masa se calcula dividiendo la suma del flujo de masa de la entrada de combustible al horno por la velocidad promedio de combustible en las boquillas de combustible y el flujo de masa de la entrada del oxidante al horno por la velocidad promedio del oxidante en las boquillas del oxidante por la suma del flujo de masa de la entrada de combustible al horno y el flujo de masa de oxidante. El calor generado por la combustión de combustible y oxidante dentro del horno es radiado directamente de la región 13 de la flama, o indirectamente de la capa 6 de combustión por reradiación del techo .y paredes del horno, a través de la capa protectora 12 y a la carga del horno en donde sirve para calentar y/o fundir la carga del horno. Aunque la capa protectora 12 de gas actúa como una barrera física con el fin de proteger la carga del contacto con material, la capa protectora de gas es invisible esencialmente a la energía calorífica que pasa por radiación, especialmente si la capa protectora de gas está compuesta mayormente de nitrógeno, argón u oxígeno. Consecuentemente, el calor generado por la combustión del combustible y el oxidante es transferido eficientemente a la carga del horno por el modo radiante de transferencia de calor a través de la capa protectora de gas. El horno 1 tiene una portilla 1 1 de chimenea o de escape que comunica con el volumen interno del horno para extraer los productos de la reacción de combustión del horno. Preferiblemente el gas protector también es extraido del horno a través de esta portilla de chimenea o escape. La comunicación mencionada con el interior del horno es tal que los productos de la reacción de combustión, de preferencia substancialmente todos los productos de la reacción de combustión, que son expulsados del interior del horno son extraídos del horno desde abajo de la primera distancia vertical y preferiblemente desde abajo de la segunda distancia vertical. Con el fin de evitar turbulencia no deseada dentro del horno, los productos de la reacción de combustión son extraídos del horno a una velocidad baja de no más de 45.75 mps, y generalmente dentro del rango de 3 a 1 8.3 mps. Aunque no se desea sujetar a ninguna teoría, los solicitantes creen que los resultados benéficos inesperados experimentados en la práctica de esta invención fluyen del gradiente de temperatura exagerado que caracteriza a un horno operando con capas estratificadas de combustión y gas protector. Aunque puede esperarse algún gradiente de temperatura vertical en la operación de cualquier horno debido a la tendencia del calor para elevarse, en un horno operado convencionalmente con los gases del horno en flujo turbulento con inter-mezclado consecuente, las diferencias de calor entre niveles dentro del horno tienden a ser reducidos significativamente y la temperatura dentro del horno equilibrada enormemente. En contraste, con un horno de capas estratificadas, la ausencia de turbulencia y gases del horno inter-mezclándose permiten que se forme un gradiente de temperatura vertical significativo de tal manera que puede haber una diferencia desde 93.3 hasta tanto como 815.5 grados centígrados entre la temperatura en el nivel más bajo del horno y la temperatura en el nivel superior del horno. En la práctica hornos de capas estratificadas convencionales expulsan los productos de la reacción de combustión desde un punto elevado en el horno para asegurar que estos productos de la reacción de combustión no sean llevados a la proximidad de la carga del horno. Sin embargo, este esquema de operación lógico no deliberadamente trae flujo de gases a una región de temperatura muy alta del horno. Esto ha tenido un número de consecuencias desafortunadas. Primero, esto ha acarreado nitrógeno, tanto como del oxidante o como del gas protector, y oxígeno sin reaccionar a la región de alta temperatura en donde la alta temperatura favorece cinéticamente su reacción para formar NOx. Segundo, la alta temperatura en el punto de escape de gases resulta en una pérdida de calor adicional significativa del horno que requiere combustión de combustible y oxidante adicionales para compensar esta pérdida de calor adicional. Tercero, el flujo de gas protector a la región superior del horno que resulta del escape de gases en esta región trae consigo especies corrosivas tales como gases de fundición que se originan de la carga del horno, los cuales, a estas muy altas temperaturas, corroen excesivamente el refractario del horno o las boquillas de quemador/lanceta en el nivel superior y el techo del horno cuando estas especies corrosivas hacen contacto con el refractario o las boquillas de quemador/lanceta en esos niveles superiores. Todos estos efectos perjudiciales son aliviados mediante la práctica de esta invención en donde algunos y preferiblemente todos los gases de combustión son expulsados del horno desde abajo del nivel en que son provistos el combustible y el oxidante al horno. Para ilustrar adicionalmente la invención y demostrar las ventaj as obtenidas por la práctica de la invención sobre prácticas convencionales, se presentan los siguientes ejemplos y ejemplos comparativos. Los ejemplos se presentan con propósitos ilustrativos y no se pretende que sean limitativos. Los ejemplos serán presentados con referencia a las Figuras 3 y 4. Los ejemplos A y B se llevaron a cabo usando ios arreglos de prueba del horno ilustrados respectivamente en las Figuras 3 y 4. Cada horno tenía dimensiones internas de un ancho de 1 .83 metros, una longitud de 3.66 metros y una altura de 1.83 metros, y tubos de drenado de calor enfriados con agua en el piso 20 para simular una carga de horno. Dos juegos 26 de sistemas de quemadores oxi- combustible se colocaron en paredes opuestas a una primera distancia vertical de aproximadamente 1.37 metros por arriba del piso 20. Los quemadores proveyeron gas natural a un régimen de flujo de 85. 12 metros cúbicos por hora normales (MCHN) y oxígeno puro comercialmente a un régimen de flujo de 172.8 MCHN al horno para combustión y formaron una capa de combustión. La velocidad promedio del combustible en las boquillas de combustible fue de 1 1.65 mps y la velocidad promedio del oxígeno en las boquillas de oxígeno fue de 5.92 mps, lo que proporcionó una velocidad promedio de fluj o de masa en peso de aproximadamente 7 mps en las boquillas de los quemadores. El nitrógeno fue provisto al horno a través de tres inyectores 21 (tres en cada pared extrema 22) a una segunda distancia vertical de aproximadamente 0.54 metros por arriba del piso 20 a un régimen de flujo total de 1 70.23 MCHN para formar una capa de gas protector que tiene un límite mostrado en 23 la cual fluye a una velocidad de aproximadamente 0.43 mps. El límite 23 se define como la superficie límite en donde la concentración de nitrógeno es mayor que el 95 por ciento en volumen. Los productos de la reacción de combustión fueron retirados del horno a través de la chimenea 24 (ej emplo A) localizada aproximadamente a 1 .0 metro (0.9 metros del eje de la portilla) arriba del piso 20, y a través de la chimenea 25 (ejemplo B) localizada aproximadamente a 0.45 metros arriba del piso 20, y a una velocidad de aproximadamente 22.7 mps. Las medidas de la concentración de nitrógeno y de la concentración de dióxido de carbono fueron tomadas a alturas de 0.9 metros y 0.45 metros sobre el piso y las medidas de NOx fueron tomadas en la chimenea. Los resultados de los ejemplos A y B se presentan en la Tabla 1. La distribución de temperatura en paredes y techo del horno fue medida con 20 termopares. La temperatura representativa de pared cerca de cada localización de chimenea también se muestra en la Tabla 1 . La temperatura del gas de chimenea se estima que es típicamente de 37.8 a 149°C por arriba de la temperatura de pared cerca de la portilla de chimenea. Para propósitos comparativos, los ejemplos comparativos C y D fueron llevados a cabo usando equipo de prueba similar y usando prácticas convencionales. En el ejemplo comparativo C los gases de combustión fueron retirados a través de la chimenea desde el techo del horno de prueba y en el ejemplo comparativo D los gases de combustión fueron retirados desde la chimenea ligeramente arriba del nivel de los quemadores, es decir ligeramente arriba de la primera distancia vertical. Los resultados de estos dos ejemplos comparativos se muestran también en la Tabla 1 .

TABLA 1 Como se puede ver de los resultados reportados en la Tabla 1 , el uso del método de esta invención permitió la operación de un horno de capas estratificadas con generación de NOx significativamente menor que aquella posible con la práctica de hornos convencionales de capas estratificadas. Las temperaturas de pared cerca de las portillas de chimenea indican la reducción significativa en la temperatura del gas de chimenea y la eficiencia de energía mayor consecuente alcanzable con la práctica de esta invención. Además, las concentraciones de nitrógeno mucho más bajas a la elevación de 0.9 m con la práctica de esta invención demuestran la reducción significativa de gases originados en la capa protectora que se mezclan con la capa de combustión sirviendo para reducir la concentración de gases corrosivos en el espacio de combustión superior del horno.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para proporcionar calor a una carga de horno contenida en un horno que tiene un piso, que comprende: (A) proporcionar combustible y oxidante al horno y quemar el combustible y el oxidante dentro del horno para generar calor y productos de la reacción de combustión y formar una capa de combustión dentro del horno, por lo menos uno de dichos combustible y oxidante siendo proporcionados al horno a una primera distancia vertical por arriba del piso; (B) proporcionar gas protector al horno a una segunda distancia vertical por arriba del piso, dicha segunda distancia vertical siendo menor que la primera distancia vertical, y formando una capa de gas protector dentro del horno entre por lo menos algo de la carga del horno y la capa de combustión; (C) radiar calor desde la capa de combustión a través de la capa protectora y a la carga del horno; y (D) retirar los productos de la reacción de combustión del horno desde debajo de la primera distancia vertical.
2. 2. El método de la reivindicación 1 en donde el calor es radiado a través de la capa protectora a la carga del horno durante un ciclo de dos porciones que tiene una primera porción de fundido y una segunda porción de baño plano, y en donde la capa protectora tiene un límite superior arriba del piso durante la porción de fundido que está más alto que el límite superior de la capa protectora durante la porción de baño plano.
3. 3. El método de la reivindicación 1 en donde el combustible y el oxidante se proveen juntos al horno.
4. 4. El método de la reivindicación 1 en donde el gas protector comprende nitrógeno.
5. 5. El método de la reivindicación 1 en donde los productos de la reacción de combustión son retirados del horno desde aproximadamente el nivel de la segunda distancia vertical.
6. 6. El método de la reivindicación 1 en donde los productos de la reacción de combustión son retirados del horno a una velocidad de no más de 45.75 metros por segundo.
7. 7. El método de la reivindicación 1 en donde el gas protector es retirado del horno con los productos de la reacción de combustión.
8. 8. El método de la reivindicación 1 en donde la carga del horno comprende aluminio.
9. 9. El método de la reivindicación 1 en donde la carga del horno comprende por lo menos uno del grupo que consiste de acero, plomo, cinc, magnesio y vidrio.
10. 10. Un método para proveer calor a una carga de horno contenida en un horno que tiene un piso, que comprende: (A) proveer combustible y oxidante a un horno y quemar el combustible v el oxidante dentro del horno generando calor y productos de la reacción de combustión y formando una capa de combustión dentro del horno, por lo menos uno de dichos combustible y oxidante siendo proporcionados al horno a una primera distancia vertical por arriba del piso; (B) proporcionar gas protector al horno desde una segunda distancia vertical por arriba del piso, dicha segunda distancia vertical siendo menor que la primera distancia vertical, y formando una capa de gas protector dentro del horno entre por lo menos algo de la carga del horno y la capa de combustión; (C) radiar calor desde la capa de combustión a través de la capa protectora y a la carga del horno durante un ciclo de dos porciones que tiene una primera porción de fundido y una segunda porción de baño plano en donde la capa protectora tiene un límite superior por arriba del piso durante la porción de fundido que está más alto que el límite superior de la capa protectora durante la porción de baño plano; y (D) retirar los productos de la reacción de combustión del horno desde o por arriba de la segunda distancia vertical.