MÉTODO PARA CALCINAR UN MATERIAL CON BAJAS EMISIONES DE NOx La presente invención se refiere a un método para mejorar la combustión en un horno industrial de alta temperatura y a un dispositivo para mejorar la combustión en este horno. Se conoce que procesos industriales de alta temperatura que utilizan combustibles como suministro de energía no tienen insignificante contenido de nitrógeno, tales como carbón o coke de petróleo, generan emisiones substanciales de óxidos de nitrógeno (NOx) . NOx es el término colectivo para denotar todos los óxidos de nitrógeno, particularmente monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (N02) . Dos tipos de NOx pueden distinguirse principalmente, dependiendo del mecanismo de su formación:
NOx de combustible y NOx térmico. NOx de combustible resulta de la oxidación de los compuestos de nitrógeno en el combustible. NOx térmico, que corresponde a oxidación de nitrógeno atmosférico por el oxígeno de combustión, depende primordialmente de tres variables: la concentración de oxígeno en las zonas de alta temperatura de la flama (> 1200 grados C) ; - el tiempo de residencia del oxígeno en estas zonas; y
más particularmente - la temperatura en estas zonas . NOx es tóxico para plantas y dióxido de nitrógeno en particular puede activar dificultades respiratorias en humanos. NOx también es uno de los precursores principales en la formación de ozono. Además, las emisiones de NOx contribuyen a la acidificación y eutrofización del suelo o del terreno. El problema de emisiones de Nox surge en todas las industrias que utilizan procesos de alta temperatura. Una de las industrias particularmente involucradas es la de fabricación de cemento, en donde los procesos de fabricación están sujetos a normas más estrictas referentes a emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) . En estos procesos de producción de cemento, la formación de NOx de combustible se debe al uso de combustibles que no tienen un contenido de nitrógeno insignificante, para los cuales la oxidación de los compuestos que contienen nitrógeno del combustible, resulta en la formación de NO. Este mecanismo se lleva a cabo tanto en el quemador del horno rotatorio, al encender el combustible, como en el precalcinador en donde hay uno. NOx térmico por su parte es inevitable en la zona de combustión del horno rotatorio, debido a la necesidad por una
temperatura suficientemente alta por lo que se conoce como reacción no aglomerante que se lleva a cabo en la alimentación en crudo o materia prima (1450 grados C) , acelerando de esta manera la oxidación de nitrógeno atmosférico. Las técnicas actuales para reducir las emisiones de NOx pueden colocarse en dos categorías: técnicas primarias que limitan la formación de NOx durante combustión y técnicas secundarias con base en tratamiento de los gases de combustión a fin de retirar el NOx creado corriente arriba. Para permitir que la formación de NOx sea reducida de manera efectiva en procesos de producción de cemento, cualquier técnica primaria debe limitar la formación tanto de NOx de combustible como NOx térmico. Entre las medidas primarias principales tomadas, pueden citarse los siguientes: quemadores de bajo-NOx, que optimizan el mezclado del combustible y las diversas inyecciones oxidantes a fin de limitar primordialmente la formación de NOx térmico por un efecto de división en etapa o escala de combustión local. Este método alcanza sus límites en las inestabilidades de flama que se generan cuando el aire primario se reduce por debajo de límites aceptables (~ 10% del aire estequiométrico requerido) . Las reducciones alcanzables de esta manera son
de alededor de 30%; - enfriamiento de flama por inyección de agua, que tiene el objetivo de reducir el NOx térmico al bajar los picos de temperatura en la flama. De esta manera, reducciones de NOx hasta de 50% pueden lograrse, pero este método reduce significativamente la eficiencia de combustión y demuestra ser la causa de problemas en la operación del horno; y - división en etapas o escala de la combustión entre el horno rotatorio y el pre-calcinador cuando hay uno, que hace posible reducir NOx a alta temperatura y la salida del horno rotatorio y completar subsecuentemente la combustión corriente abajo, en el pre-calcinador y la unidad de precalentamiento. Niveles de reducción de NOx hasta de 50% se reclaman, pero estos sistemas son costosos en costos de inversión, debido a las modificaciones sustanciales a la instalación que requieren. También se mencionan muchos problemas de exceso de formación de CO, que evitan obtener niveles de reducción de NOx regulares. Al tiempo actual, ninguna de estas técnicas primarias es capaz de reducir emisiones de NOx lo suficiente de esta manera obligando a los productores de cemento utilizar métodos secundarios costosos a fin de satisfacer las normas en vigor.
Las medidas secundarias tomadas son convencionales: estas involucran procesos de reducción NOx catalíticos o no catalíticos (reducción no catalítica selectiva, SNCR selective non-catalytic reduction; reducción catalítica selectiva, SCR = selective catalytic reduction) con base en inyección de amoníaco o urea en los gases de combustión a fin de reducir el NO en N2. Mayores reducciones de NOx por lo tanto son posibles, pero para costos de operación e inversión significativamente superiores. Además, estas técnicas requieren intervalos de temperatura muy precisos y cualquier desviación puede entonces resultar en la emisión de amoníaco sin reaccionar en los gases de combustión, que pueden entonces oxidar el NOx. Aparte de reducir las emisiones de NOx, otra preocupación principal de los fabricantes de cemento es como lograr eficiencia y calidad satisfactorias. Técnicas que emplean el uso de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno se han desarrollado. Están diseñadas principalmente para incrementar la producción o calidad del producto al permitir que se incremente la temperatura en la zona de formación de escoria (clinkering) . Consecuentemente, estas técnicas en general resultan en un aumento en los niveles de emisión de NOx comparado con la operación sin oxígeno agregado, o en la
mejor de las circunstancias los niveles permanecen iguales. El documento de patente de los E.U.A. No. US 3 397 256 describe el uso de un quemador de oxi-combustible colocado entre la carga y el quemador principal, con el efecto de que hay un aumento significante en la temperatura en esta zona y por lo tanto inevitablemente en la cantidad de NOx emitido. El documento de patente de los E.U.A. No. US 5 572 938 describe la inyección de oxígeno en el aire primario, por el quemador principal, con el propósito de mejorar la transferencia térmica a la carga y la producción. No se dan detalles en cuanto al método de inyección que limita la formación de NOx de combustible. Inyección de oxígeno también se propone exclusivamente en la parte inferior del horno rotatorio, junto con la carga a fin de dividir en etapas la combustión. Esta posición específica hace posible el mantener condiciones de oxidación sobre la carga y transferir más energía a la misma, pero no permite mezclado conveniente con todos los materiales sin quemar. El documento de patente de los E.U.A. No. US
580 237 describe un inyector para optimizar la inyección de oxígeno en el quemador, con el propósito de estabilización de flama. La cantidad de NOx emitido se mantiene o reduce
ligeramente . La patente de los E.U.A. No. US 6 309 210 de la Compañía del Solicitante ilustra el enriquecimiento con oxígeno de aire primario, secundario y terciario a fin de mejorar la capacidad de enfriamiento de la escoria (clinker) y mejorar la combustión en general. Dilución general del oxígeno en todos los gases de combustión es contraria a los principios de reducir la cantidad de NOx emitido. Un objeto de la presente invención por lo tanto es proponer una técnica novedosa para mejorar la combustión en un horno industrial de alta-temperatura, tal como un horno rotatorio, que hace posible tanto reducir las emisiones de NOx como obtener eficiencia satisfactoria y calidad de producto. Para este propósito, la invención se refiere a un método para calcinar un material, en donde el material se calienta en contacto con una fuente de calor esencialmente creada por una flama generada por al menos un flujo (a) de combustible y aire primario y un flujo (b) de aire secundario, la flama comprende una primer zona de combustión (I) con una temperatura inferior a 1500 grados C y una segunda zona de combustión (II) con una temperatura sobre 1500 grados C, caracterizado porque:
- al menos un flujo (c) de al menos un gas inerte se inyecta en la flama en el punto en donde la segunda zona de combustión (II) se inicia; y/o - al menos un flujo (d) de oxígeno o un gas enriquecido con oxígeno se inyecta en la segunda zona de combustión (II) . La flama se divide en una primer zona de combustión y una segunda zona de combustión de acuerdo con el tipo de NOx que se forma en esta zona durante un proceso de combustión convencional. De esta manera, la primer zona de combustión es la zona en donde se inicia la combustión y en donde el mecanismo de formación de NOx predominante es el de NOx combustible. La segunda zona de combustión es la zona en donde la flama alcanza sus picos de temperatura en contacto con el aire secundario y en donde la formación de NOx término predomina. La frontera entre la primera y segunda zonas de combustión se establece en el punto en donde la temperatura de flama excede 1500 grados C, sobre la cual la temperatura aumenta significativamente la velocidad de formación de NOx térmico. La inyección de al menos un flujo de cuando menos un gas inerte en el punto en donde la segunda zona de combustión empieza, hace posible mientras que mantiene una temperatura lo más alta posible en la primer zona de
combustión, absorber energía térmica liberada durante la combustión del combustible con el aire secundario en la segunda zona de combustión. De esta manera, baja la temperatura de la flama en la segunda zona de combustión. De preferencia, al menos dos flujos de gas inerte se colocan simétricamente, a fin de obtener mejor homogenización de la temperatura dentro de la flama. El gas o gases inertes empleados para la inyección en el punto en donde la segunda zona de combustión empieza, se eligen ventajosamente del grupo que consiste de nitrógeno, recirculación de gas de combustión, dióxido de carbono y vapor. El nitrógeno es una selección preferida, en particular en el caso en donde su producción en el sitio de operación del proceso de alta-temperatura puede llevarse a cabo en conjunto con la producción de oxígeno requerido para otras aplicaciones, tales como la inyección en la segunda zona de combustión de acuerdo con la invención. Ventajosamente, el o los flujos de gas o gases inertes es o son inyectados con una mayor velocidad que la del aire secundario para tener suficiente penetración justo en la segunda zona de combustión. Sin embargo, esta velocidad permanece por debajo de la velocidad del sonido como se mide en el horno, y de preferencia está dentro del intervalo de velocidades entre Mach 0.2 y Mach 1
(Mach 1 corresponde a la velocidad del sonido) a fin de asegurar un mezclado inmediato de el o los gases inertes con la flama tan pronto como entran a la segunda zona de combustión. Para cada aplicación, una persona con destreza en la técnica sabrá como definir el número de flujos para obtener un compromiso satisfactorio entre la calidad de homogenización del gas inerte con los gases de la segunda zona de combustión y una velocidad de un gasto de flujo total determinado de gas inerte. Respecto a la calidad de homogenización del gas inerte con los gases de la segunda zona de combustión, una persona con destreza en la técnica sabrá que aumenta con un aumento en el número de flujo de gas inerte. Con respecto a suficiente penetración en la segunda zona de combustión, una persona con destreza en la técnica sabrá que esto puede mejorarse al incrementar el momento de estos flujos de gases inertes, es decir al reducir el número de flujos. Se entenderá aquí que el momento es el flujo másico de gas multiplicado por su velocidad. Este mezclado y por lo tanto una rápida homogenización de la composición y la temperatura de flama, puede facilitarse por una inyección de torbellino, caracterizado por un componente tangencial pulsado del gas durante su inyección.
Respecto a el o los flujos de oxígeno o de gas enriquecido con oxígeno, estos de preferencia se inyectan de manera tal que sean tangenciales con la flama (F) en la segunda zona de combustión. Esto hace posible el incrementar la recirculación dentro de la flama (F) y obtener mezclado del oxígeno o gas enriquecido con oxígeno y la flama al final de esta última. Además, al suministrar oxígeno de esta manera, toda la combustión se realiza bajo condiciones ricas en combustible, reduciendo la temperatura de la flama, acortando el tiempo de residencia y reduciendo la concentración de oxígeno en la flama. A fin de homogeneizar el suministro de oxíeno, se prefiere utilizar al menos dos flujos de gas enriquecido con oxígeno u oxígeno colocado simétricamente respecto al eje de la flama. Cuando al menos un flujo de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno se inyecta de acuerdo con la invención en la segunda zona de combustión, el gasto de flujo del aire secundario se reduce ventajosamente. Algo del oxígeno que se proporciona normalmente por el aire secundario de esta manera se substituye con oxígeno suministrado por esta inyección. Esto evita excesivas condiciones de combustión ricas en oxígeno que resultarán en un aumento en la temperatura de flama e irían contra reducción de la formación de NOx térmico. De
preferencia, el flujo (o flujos) (d) se inyectan con una velocidad mayor que Mach 0.5, de preferencia mayor que Mach 1. De esta manera, uno o más chorros "coherentes" de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno se obtienen que no se degradan durante la primer parte de la ruta a través del horno y solo se mezclan con los gases sin quemar al final de la flama, en una zona en donde la temperatura ya ha dismimuído y en donde el riesgo de formación de NOx térmico por lo tanto se reduce. Además, este o estos chorros de gas aumentan la recirculación dentro de la flama junto con el suministro de productos de combustión en la flama, haciendo de esta manera posible homogeneizar la temperatura y reducir los picos de temperatura de la flama. En una implementación preferida, los dos modos de inyección como se describió anteriormente son combinados. De preferencia, las inyecciones se realizan simultáneamente. Ventajosamente, la inyección de gas inerte y/o la inyección de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno pueden combinarse con un ligero enriquecimiento de oxígeno del aire para transportar y rociar el combustible, a fin de aumentar la temperatura en la zona de ignición de combustible y de esta manera reducir la formación de NOx de combustible, como se describe en la solicitud de patente WO 2004/065849.
El método de calcinación de acuerdo con la invención es particularmente ventajoso cuando combustibles sólidos que tienen un alto contenido de nitrógeno, tales como carbón y coque de petróleo, son empleados. Cuando se utiliza un combustible sólido, este es rociado por un gas portador tal como aire, más generalmente aire. El método de acuerdo con la invención puede utilizarse en cualquier proceso industrial, tal como la fabricación de cal, vidrio y en particular cemento. El uso del método de acuerdo con la invención para calcinar un material basado en mena es particularmente ventajoso. Sin embargo, el método de acuerdo con la invención también puede utilizarse cuando todo o algo de los combustibles empleados para el proceso de combustión industrial de alta-temperatura son combustibles gaseosos que tienen un bajo contenido de nitrógeno. En particular en el caso de uso predominante de un combustible gaseoso que tiene un bajo contenido de nitrógeno para un proceso de producción de cemento, el método de acuerdo con la invención puede combinarse ventajosamente con el sistema de combustión oscilante, que aumenta la inhibición de formación de NOx térmico. Este sistema es patentado por el solicitante (patente de los E.U.A. US 5 302 111) .
La presente invención también se refiere a un dispositivo de combustión, que comprende: un quemador que puede alimentarse con oxidante y combustible; - un medio de inyección de aire para suministrar un flujo de aire alrededor del quemador; - al menos una lanza de inyección de gas inerte que tiene un primer extremo de entrada de gas y un Segundo extremo de salida de gas, el segundo extremo de salida de gas está más cerca al eje longitudinal del quemador que el primer extremo de entrada de gas; y/o - cuando menos una lanza para inyección de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno que tiene un primer extremo de entrada de gas y un segundo extremo de salida de gas, el primer extremo de entrada de gas es más cercano al eje longitudinal del quemador que el segundo extremo de salida de gas . Para una velocidad de inyección mayor que Mach 0.5 y de preferencia mayor que Mach 1, el extremo de salida de la lanza de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno de preferencia se adapta con lo que se denomina una boquilla De Laval, que tiene en sucesión una sección transversal convergente, seguida por una sección transversal divergente. La presión
de alimentación de gas se ajusta de acuerdo con el diámetro del inyector y la velocidad deseada. De preferencia, la lanza de gas inerte se inclina a un ángulo a de entre 0 grado y 45 grados, este ángulo se forma por los ejes longitudinales de la lanza y el quemador, y la lanza de oxígeno o gas enriquecido con oxígeo se inclina a un ángulo ß de entre 0 grado y 20 grados, este ángulo se forma por los ejes longitudinales de la lanza y el quemador. En una modalidad preferida, el dispositivo de acuerdo con la invención comprende cuando menos dos lanzas para inyección de gas inerte dispuestas concéntricas alrededor del quemador y/o al menos dos lanzas para inyección de gas enriquecido con oxígeno u oxígeno dispuestos concéntricamente alrededor del quemador. De esta manera, el suministro de gas o gases y la temperatura de la flama se homogeneiza mejor. El ángulo a entre los ejes longitudinales del quemador y la lanza de gas inerte se eligen de manera tal que permiten al gas inerte ser inyectado en la flama. Ventajosamente, está entre 0 grado y 45 grados, de preferencia entre 0 grado y 20 grados, este valor varía sin embargo con la geometría del método en cuestión y con la longitud de flama característica que se define de acuerdo con una primera aproximación como la longitud de la flama visible.
El ángulo ß entre los ejes longitudinales del quemador y la lanza de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno, se elige de manera tal que el flujo de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno suministrado por esta lanza es tangencial con la flama. Ventajosamente está entre 0 grado y 20 grados, de preferencia entre 0 grado y 10 grados, este valor varía sin embargo con la geometría del método en cuestión y con la longitud de flama característica. Esta inclinación de la lanza o lanzas de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno al exterior de la flama, resulta en un ensanchamiento de la flama, de esta manera incrementando el volumen de combustión y reduciendo adicionalmente los picos de temperatura dentro de la flama. En una modalidad, el dispositivo de acuerdo con la invención incluye a la salida del quemador, un apéndice en forma de enchufe que tiene bordes interior y exterior abocinados. Los bordes interiores se abocinan a un ángulo ? al eje longitudinal del quemador y los bordes exteriores se abocinan a un ángulo d al mismo eje. Ventajosamente, el ángulo ? está entre 0 grado y 45 grados, de preferencia entre 0 grado y 25 grados, y el ángulo d está entre 0 grado y 45 grados, de preferencia entre 0 grado y 30
grados. El abocinamiento de los bordes interiores de este apéndice aumenta la recirculación de gas en la flama a la salida del quemador. Lo que de esta manera se obtiene es una composición más rápida y completa. Debido a sus bordes exteriores abocinados, el apéndice sirve como un deflector, capaz de guiar el aire secundario sobre una ruta tal que se mezcla con la flama solo en la segunda zona de combustión. Esto ayuda a optimizar la dispersión del oxígeno. El apéndice se elabora de un material resistente a alta temperatura, es decir sobre 1500 grados C. De preferencia es un material cerámico o refractario. El dispositivo de combustión de acuerdo con la invención puede utilizarse en cualquier tipo de horno industrial de alta-temperatura. Sin embargo, es particularmente conveniente para hornos rotatorios como se emplean en la industria del cemento. Otras características ventajosas de la invención, serán aparentes ante lectura de la siguiente descripción, dada con referencia a las figuras en donde: - la Figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal de una modalidad de un dispositivo de combustión de acuerdo con la invención; - la Figura ÍA muestra esquemáticamente un detalle de la
Figura 1 ; la Figura 2 muestra esquemáticamente una sección transversal de otra modalidad de un dispositivo de combustión de acuerdo con la invención; - la Figura 2A muestra esquemáticamente un detalle de la
Figura 2 ; y la Figura 3 muestra esquemáticamente una sección transversal de un detalle opcional de un dispositivo de combustión de acuerdo con la invención, Las Figuras 1 y 2 muestran esquemáticamente el arreglo de dos lanzas de gas inerte 2 y lanzas de gas enriquecido con oxígeno u oxígeno 3, respectivamente, alrededor del quemador 1 a la salida del horno de calcinación rotatoria. El horno 5 está ligeramente inclinado a fin de permitir que la escoria 6 sea descargada. El quemador 1 se suministra con un flujo a de combustible y aire primario.
Después de este flujo a ha encendido en la salida del quemador 1, se obtiene la flama F. En las Figuras 1, 2 y 3, la flama F se divide en dos zonas de combustión I y II. La frontera entre estas dos zonas I y II se forma por la línea en donde la flama F excede una temperatura de 1500 grados C: en la zona I, la temperatura es inferior a 1500 grados C y en la zona II está
sobre 1500 grados C. El horno rotatorio 5 también se equipa con medios de inyección de aire (no mostrado en las figuras) para suministrar un flujo b del aire secundario alrededor del quemador. Este flujo b proporciona la mayoría de aire de combustión y de esta manera hace posible el completar la combustión del combustible iniciada por el aire primario. La Figura 1 muestra un dispositivo de combustión de acuerdo con la invención que comprende dos lanzas de gas inerte dispuestas concéntricamente alrededor del quemador 1. Las lanzas de gas inerte 2 están diametralmente opuestas. Las lanzas 2 tienen un primer extremo para entrada de gas 2a y un segundo extremo de salida de gas 2b, el segundo extremo de salida de gas 2b está sin embargo más cerca al eje longitudinal del quemador 1 que el primer extremo de entrada de gas 2a. Ventajosamente, la lanza de gas inerte 2 se inclina a un ángulo a de entre 0 grado y 45 grados, de preferencia entre 0 grado y 20 grados, este ángulo se forma por los ejes longitudinales de la lanza y el quemador (figura ÍA) . Sin embargo, el valor del ángulo a varía con la geometría del método en cuestión y con la longitud característica de la flama. La Figura 2 muestra un dispositivo de combustión de
acuerdo con la invención que comprende dos lanzas de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno 3 dispuestas concéntricamente alrededor del quemador 1. Las lanzas 3 de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno son diametralmente opuestas. Las lanzas 3 tienen un primer extremo de entrada de gas 3a y un segundo extremo de salida de gas 3b, el primer extremo de entrada de gas 3a está más cerca al eje longitudinal del quemador 1 que el segundo extremo de salida de gas 3b. Ventajosamente, la lanza de oxígeno o gas enriquecido con oxígeno 3 se inclina a un ángulo ß de entre 0 grado y 20 grados, de preferencia entre 0 grado y 10 grados, este ángulo se forma por los ejes longitudinales de la lanza y el quemador (Figura 2A) . Sin embargo, el valor del ángulo ß varía con la geometría del método en cuestión y con la longitud característica de la flama. En una modalidad ventajosa (no mostrada) , ambas modalidades mostradas en las figuras 1 y 2, se combinan para formar un solo dispositivo para mejorar la combustión de acuerdo con la invención. La Figura 3 muestra un apéndice 4 que se coloca en el quemador 1 en su salida. Este apéndice 4 tiene la forma de un enchufe con bordes interiores abocinados 4a y bordes exteriores abocinados 4b. Los bordes interiores 4a se
abocinan a un ángulo ? respecto al eje longitudinal del quemador y los bordes exteriores 4b se abocinan a un ángulo d al mismo eje, el ángulo ? es mayor que el ángulo d . Ventajosamente, el ángulo ? está, entre 0 grado y 45 grados, de preferencia entre 0 grado y 25 grados, y el ángulo d está entre 0 grado y 45 grados, de preferencia entre 0 grado y 30 grados .