ES2315767T3 - Quemador y procedimiento para la combustion de combustibles. - Google Patents

Abstract

Un quemador (10) para la combustión de un combustible (12), que comprende: un conducto para el combustible que tiene una pluralidad de secciones de combustible, estando cada sección de combustible en comunicación fluida entre sí y adaptado para transmitir una corriente del combustible (12), que incluye una sección de entrada (16) de combustible que tiene una primera entrada (14) de combustible y una primera salida de combustible separada de la primera entrada (14) de combustible, cuya sección de entrada de combustible tiene una primera área de flujo transversal y se encuentra adaptada para transmitir la corriente del combustible (12) que entra por la primera entrada (14) de combustible y que sale por la primera salida de combustible, una sección de transición (18) de combustible que tiene una conexión de entrada de combustible y una conexión de salida de combustible separada de la conexión de entrada de combustible, estando adaptada la sección de transición (18) de combustible para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del combustible (12) que entra en la conexión de entrada de combustible y que sale de la conexión de salida de combustible y que tiene una segunda área de flujo transversal, cuya segunda área de flujo transversal varía desde un área de flujo transversal inicial en la conexión de entrada de combustible hasta un área de flujo transversal diferente en la conexión de salida de combustible y una sección de salida (20) de combustible que tiene una segunda entrada de combustible y una segunda salida (22) de combustible separada de la segunda entrada de combustible, cuya sección de salida de combustible se encuentra adaptada para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del combustible (12) que entra en la segunda entrada de combustible y que sale de la segunda salida (22) de combustible y que tiene una tercera área de flujo transversal, tercera área de flujo transversal que es sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida (20) de combustible y un primer conducto de oxidante que tiene una pluralidad de secciones de oxidante, estando cada sección de oxidante en comunicación fluida entre sí y adaptado para transmitir una corriente de un oxidante (24), que incluye una sección de entrada de oxidante que tiene una primera entrada de oxidante y una primera salida de oxidante separada de la primera entrada de oxidante, sección de entrada de oxidante que se encuentra adaptada para transmitir una corriente del oxidante (24) que entra en la primera entrada de oxidante y que sale de la primera salida de oxidante y que tiene una cuarta área de flujo transversal, encontrándose, como mínimo, una parte de la sección de entrada de oxidante separada alrededor de sustancialmente la totalidad de, como mínimo, una parte de cómo mínimo una de las: sección de entrada (16) de combustible, sección de transición (18) de combustible y sección de salida (20) de combustible y una sección de salida (30) de oxidante que tiene una conexión de entrada de oxidante y una conexión de salida de oxidante separada de la conexión de entrada de oxidante, cuya sección de salida (30) de oxidante se encuentra adaptada para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante (24) que entra en la conexión de entrada de oxidante y que sale de la conexión de salida de oxidante y que tiene una quinta área de flujo transversal, siendo la citada quinta área de flujo transversal menor o igual que la cuarta área de flujo transversal y siendo sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida de oxidante, estando, como mínimo, una parte de la sección de salida (30) de oxidante separada alrededor de sustancialmente toda la, como mínimo, una parte de la sección de salida (20) de combustible.

Description

Quemador y procedimiento para la combustión de combustibles.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a quemadores de combustible y a procedimientos para la combustión de combustibles gaseosos con oxidantes, tales como oxígeno o aire enriquecido con oxígeno y en particular a dichos quemadores y a procedimientos para la producción de temperaturas elevadas en hornos de fusión industriales para vidrio, materiales cerámicos, metales, etc.

Aunque la invención se describe dentro del contexto de quemadores oxi-gas y de procedimientos de combustión para la fusión de vidrio, la invención no está limitada a la utilización con hornos de fusión industriales o con hornos de fusión de vidrio. Los expertos en la materia reconocerán que el quemador y el procedimiento de la presente invención se pueden utilizar en muchas otras aplicaciones de calentamiento con procedimientos de combustión.

La patente U.S.A. Nº 5.360.171 (Yap) da a conocer un quemador para la combustión de un combustible en un oxidante que tiene una tobera para el combustible intercalada entre unas toberas superior e inferior para el oxidante, que se encuentran separadas e individualizadas unas de otras. El quemador produce chorros de combustible y de oxidante en una configuración divergente dirigida hacia afuera, en forma de abanico, para proporcionar una llama ancha. Los chorros de oxidante tienen una velocidad más baja que los chorros de combustible de forma que el oxidante se ve aspirado hacia el interior del combustible. Se pueden disponer toberas secundarias superiores e inferiores para el oxidante, para llevar a cabo una combustión escalonada.

La patente U.S.A. Nº 5.545.031 (Joshi y otros) da a conocer un procedimiento y un aparato para la descarga de combustible y oxidante desde una tobera de una manera que se forma una llama con forma de cola de pez o en forma de abanico. En una realización preferente, se coloca un colector de combustible en el interior de un colector de oxidante. Tanto el colector de combustible como el colector de oxidante preferentemente tienen una sección transversal rectangular en el plano de salida. En una forma de realización preferente, ambos colectores tienen una sección transversal en general cuadrada en una ubicación situada más arriba, que converge en una dirección en general vertical y diverge en una dirección en general horizontal para formar la sección transversal en general rectangular en el plano de salida. El efecto convergente y divergente combinado produce una transferencia neta de impulso del fluido desde un plano en general vertical hasta un plano en general horizontal de forma que el combustible y el oxidante se descargan desde la tobera de una forma relativamente ancha que produce la configuración de llama con forma de cola de pez o con forma de abanico.

La patente U.S.A. Nº 5.611.682 (Slavejkov y otros) da a conocer un quemador graduado o ajustado de oxígeno-combustible para la producción de una llama en general plana, rica en combustible, que se superpone sobre una llama altamente radiante pobre en combustible. El quemador tiene un conducto para el combustible que termina en una tobera, una cubierta que rodea al conducto de combustible con un espacio entre la cubierta y el conducto de combustible, espacio que forma un conducto para el oxidante. Cuando se introduce el combustible en el interior del conducto de combustible y se introduce un oxidante en el interior del conducto del oxidante, se produce una llama en general plana rica en combustible en el extremo de la tobera del conducto de combustible. También se da a conocer una tobera de ajuste o graduación del suministro para la introducción de una parte del oxidante por debajo de la llama rica en combustible, que se ve arrastrado hacia el interior de la parte inferior de la llama rica en combustible para producir una llama altamente radiante pobre en combustible.

La patente U.S.A. Nº 5.575.637 (Slavejkov y otros) da a conocer un quemador de oxígeno-combustible similar al mostrado en la patente U.S.A. Nº 5.611.682 (Slavejkov y otros), excepto que este quemador no incluye un conducto para un oxidante de graduación y no utiliza graduación o ajuste.

La patente U.S.A. Nº 4.690.635 (Coppin) da a conocer un conjunto de quemador de alta temperatura que tiene un cuerpo de una tobera que contiene oxígeno que tiene una inserción de conducto de gas allí dispuesta. La inserción de conducto de gas incluye una boquilla de inserción de conducto de gas que tiene una cara exterior de la boquilla sustancialmente plana con una prominencia con forma troncocónica dispuesta encima y que sobresale desde la cara de la boquilla. La boquilla de inserción de conducto de gas incluye un conducto de gas dispuesto de forma central que termina en el extremo proximal de la prominencia con forma troncocónica para formar un filo de cuchillo. Se dispone un orificio de expulsión de oxígeno de forma concéntrica alrededor de la prominencia con forma troncocónica para dirigir el oxígeno procedente de allí para mezclar el combustible gaseoso para la combustión en el interior de un bloque refractario de quemador.

A partir del documento EP 0 563 793 A se conoce un quemador de oxígeno-combustible con medios para el ajuste del impulso de los flujos de reactivo.

A pesar de los avances hechos por medio de los distintos diseños de los quemadores de la técnica anterior, aún existen muchos problemas, que incluyen pero sin limitarse a ellos:

- falta de uniformidad del flujo de reactivo, que conduce a una falta de uniformidad en las propiedades de la llama;

- altos niveles de turbulencia en las corrientes de reactivo, que conducen a velocidades de mezcla y de combustión más altas de las deseadas;

- acumulación y crecimiento de carbono sólido sobre la boquilla de la tobera de combustible, que conducen a la distorsión de la llama.

Estos problemas relacionados con el rendimiento conducen con frecuencia a problemas relacionados con el quemador y con el procedimiento, tales como:

\bullet Llamas más calientes, más cortas, que dan como resultado una mala distribución de la transmisión de calor y de la temperatura en el interior del horno de proceso. En general dichos efectos acortan la vida del material refractario del horno y reducen el rendimiento de producto.

\bullet Limitaciones en el porcentaje de oxidante que se puede desviar (graduar) de la mezcla primaria de combustible/oxidante. Esta limitación tiene lugar en quemadores que descargan una parte del combustible y del oxidante dentro de un bloque refractario de quemador (algunas veces conocido como precámara de combustión) que separa el conjunto del quemador del horno de proceso. Las principales consecuencias de esta limitación son velocidades de transmisión de calor por radiación más bajas, rendimiento del combustible más bajo y mayores emisiones de NO_{x}.

\bullet Fallo prematuro a alta temperatura de los componentes del quemador.

\bullet Intervalo limitado de régimen de combustión del quemador (caudal de combustible).

A la vista de estos y de muchos otros problemas relacionados con los quemadores y con los procedimientos de combustión de la técnica anterior, es deseable tener un quemador y un procedimiento de combustión que superen las dificultades, problemas, limitaciones, desventajas y deficiencias de la técnica anterior para proporcionar unos resultados mejores y más ventajosos.

Además se desea tener un quemador y un procedimiento de combustión más eficaces para la combustión de un combustible con un oxidante.

Se desea además reducir la falta de uniformidad de las velocidades en las corrientes de combustible y de oxidante en el punto de mezcla inicial.

Se desea además minimizar la acumulación de carbono en las toberas de combustible.

Se desea además alcanzar un flujo laminar con un alto grado de uniformidad en la velocidad y bajos niveles de turbulencias.

Se desea además minimizar la diferencia de velocidad media entre la corriente de combustible y la corriente de oxidante en el punto de mezcla inicial.

Se desea además reducir la falta de uniformidad en la distribución del caudal de reactivo en la tobera del quemador, mientras que también se reducen la presión de entrada del gas y la turbulencia.

Se desea además mejorar el funcionamiento del horno por medio del funcionamiento de quemadores con un impulso más alto y con más graduación del suministro, lo que conducirá a llamas ricas en combustible más largas, más estables, con emisiones más bajas de óxidos de nitrógeno (NO_{x}).

Se desea además mejorar el funcionamiento del horno con llamas más largas, más estables, que transmitan velocidades globales de transmisión de calor más altas a las cargas del horno.

Se desea además mejorar de forma adicional el funcionamiento de los hornos para vidrio proporcionando velocidades de transmisión de calor más altas entre la llama y el vidrio, aumentando de ese modo las temperaturas del vidrio presente en la parte inferior del horno, mejorando la recirculación del vidrio desde el refinador hasta el tanque y reduciendo los defectos del vidrio (aumentando la producción).

También se desea ampliar el intervalo de regímenes de combustión del quemador.

Características de la invención

La presente invención consiste en un quemador y un procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante. Hay múltiples realizaciones del quemador y del procedimiento, así como múltiples variantes de esas realizaciones.

En una primera realización del quemador para la combustión de un combustible hay múltiples elementos. El primer elemento es un conducto para el combustible que tiene una pluralidad de secciones de combustible, estando cada sección de combustible en comunicación fluida entre sí y adaptado para transmitir una corriente del combustible. Un segundo elemento es un primer conducto para el oxidante que tiene una pluralidad de secciones de oxidante, estando cada sección de oxidante en comunicación fluida entre sí y adaptado para transmitir una corriente de un oxidante.

El conducto de combustible de la primera realización del quemador incluye una sección de entrada de combustible, una sección de transición de combustible y una sección de salida de combustible. La sección de entrada de combustible tiene una primera entrada de combustible y una primera salida de combustible separada de la primera entrada de combustible, cuya sección de entrada de combustible tiene una primera área de flujo transversal y que se encuentra adaptada para transmitir la corriente del combustible que entra por la primera entrada de combustible y que sale por la primera salida de combustible. La sección de transición de combustible tiene una conexión de entrada de combustible y una conexión de salida de combustible separada de la conexión de entrada de combustible, estando adaptada la sección de transición de combustible para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del combustible que entra en la conexión de entrada de combustible y que sale de la conexión de salida de combustible y que tiene una segunda área de flujo transversal, segunda área de flujo transversal que varía desde un área de flujo transversal inicial en la conexión de entrada de combustible hasta un área de flujo transversal diferente en la conexión de salida de combustible. La sección de salida de combustible tiene una segunda entrada de combustible y una segunda salida de combustible separada de la segunda entrada de combustible, cuya sección de salida de combustible se encuentra adaptada para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del combustible que entra en la segunda entrada de combustible y que sale de la segunda salida de combustible y que tiene una tercera área de flujo transversal, tercera área de flujo transversal que es sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida de combustible.

El primer conducto de oxidante de la primera realización del quemador incluye una sección de entrada de oxidante y una sección de salida de oxidante. La sección de entrada de oxidante tiene una primera entrada de oxidante y una primera salida de oxidante separada de la primera entrada de oxidante, cuya sección de entrada de oxidante se encuentra adaptada para transmitir una corriente del oxidante que entra en la primera entrada de oxidante y que sale de la primera salida de oxidante y que tiene una cuarta área de flujo transversal, encontrándose, como mínimo, una parte de la sección de entrada de oxidante separada alrededor de sustancialmente toda la, como mínimo, una parte de cómo mínimo una de entre la sección de entrada de combustible, la sección de transición de combustible y la sección de salida de combustible. La sección de salida de oxidante tiene una conexión de entrada de oxidante y una conexión de salida de oxidante separada de la conexión de entrada de oxidante, sección de salida de oxidante que se encuentra adaptada para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante que entra en la conexión de entrada de oxidante y que sale de la conexión de salida de oxidante y que tiene una quinta área de flujo transversal, siendo la citada quinta área de flujo transversal menor o igual que la cuarta área de flujo transversal y siendo sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida de oxidante, estando, como mínimo, una parte de la sección de salida de oxidante separada alrededor de sustancialmente toda la, como mínimo, una parte de la sección de salida de combustible.

Hay muchas variantes de la primera realización del quemador. En una variante, la proporción de la quinta área de flujo transversal de la sección de salida de oxidante a la tercera área de flujo transversal de la sección de salida es menor que la proporción molar de oxidante a combustible requerida para la combustión estequiométrica.

Una segunda realización del quemador es similar a la primera realización, pero incluye un conducto de entrada de oxidante en forma de Y en comunicación fluida con la sección de entrada de oxidante y adaptado para alimentar la corriente del oxidante hasta la primera entrada de oxidante de la sección de entrada de oxidante.

Una tercera realización del quemador es similar a la primera realización, pero incluye, como mínimo, una aleta de guía dispuesta en la sección de transición de combustible, en la que el área de flujo transversal inicial en la conexión de entrada de combustible de la sección de transición de combustible es más pequeña que el área de flujo transversal diferente en la salida de combustible de la sección de transición de combustible.

Una cuarta realización del quemador es similar a la primera realización, pero incluye un segundo conducto de oxidante adyacente al primer conducto de oxidante, cuyo segundo conducto de oxidante tiene una segunda entrada de oxidante y una segunda salida de oxidante separada de la segunda entrada de oxidante, segundo conducto de oxidante que está adaptado para transmitir otra corriente del oxidante o una corriente de otro oxidante que entra en la segunda entrada de oxidante y que sale de la segunda salida de oxidante. En una variante de esta realización, la otra corriente del oxidante o la corriente del otro oxidante que sale de la segunda salida de oxidante del segundo conducto de oxidante se encuentra en un emplazamiento situado por debajo de una llama formada mediante la combustión de, como mínimo, una parte de la corriente del combustible que sale de la segunda salida de combustible de la sección de salida de combustible y de la, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante que sale de la conexión de salida de oxidante de la sección de salida de oxidante.

En una quinta realización del quemador para la combustión de un combustible, el quemador tiene un eje longitudinal e incluye una boquilla de quemador que tiene un primer borde alargado adyacente a un flujo del combustible y un segundo borde alargado adyacente a un flujo de un oxidante y que forma un ángulo principal (\alpha) de la boquilla de menos de aproximadamente 15º desde una línea paralela al eje longitudinal y que se cruza con una superficie situada más arriba paralela al eje longitudinal. En esta realización, el primer borde alargado y el segundo borde alargado forman un ángulo de boquilla secundario (\beta) mayor que el ángulo principal (\alpha) de la boquilla y menor de aproximadamente 90º entre una línea tangente a y que se extiende desde el primer borde alargado en la dirección del flujo del combustible. En una variante de esta realización, el segundo borde alargado incluye una sección afilada inicial que forma el ángulo principal (\alpha) de la boquilla y una sección curvada que termina en el primer borde alargado.

Otro aspecto de la invención es un horno para la fusión del vidrio, horno que tiene, como mínimo, un quemador tal como en cualquiera de las realizaciones o de las variantes discutidas anteriormente.

En una primera realización del procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante hay múltiples etapas. La primera etapa es proporcionar una fuente de combustible. La segunda etapa es proporcionar una fuente de, como mínimo, un oxidante. La tercera etapa es proporcionar un quemador, tal como el de la primera realización de quemador descrita anteriormente. La cuarta etapa es transmitir la corriente del combustible hasta la primera entrada de combustible, mediante la cual, como mínimo, una parte de la corriente de combustible se transmite desde la primera entrada de combustible hasta la segunda salida de combustible. La quinta etapa es transmitir la corriente del oxidante hasta la primera entrada de oxidante, mediante la cual, como mínimo, una parte de la corriente de oxidante se transmite desde la primera entrada de oxidante hasta la conexión de salida de oxidante. La sexta etapa es la combustión de, como mínimo, una parte del combustible que sale de la segunda salida de combustible con, como mínimo, una parte del oxidante que sale del conducto de salida de oxidante.

Hay muchas variantes de la primera realización del procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante. En una variante, la proporción de la quinta área de flujo transversal de la sección de salida de oxidante a la tercera área de flujo transversal de la sección de salida de combustible es menor que la proporción molar de oxidante a combustible requerida para la combustión estequiométrica.

Una segunda realización del procedimiento es similar a la primera realización del procedimiento, pero incluye dos etapas adicionales. La primera etapa adicional es proporcionar un conducto de entrada de oxidante con forma de Y en comunicación fluida con la sección de entrada de oxidante y adaptado para alimentar la corriente de oxidante hasta la primera entrada de oxidante de la sección de entrada de oxidante. La segunda etapa adicional es alimentar, como mínimo, una parte del oxidante hasta el conducto de entrada de oxidante con forma de Y.

Una tercera realización del procedimiento es similar a la primera realización del procedimiento, pero incluye la etapa adicional de proporcionar, como mínimo, una aleta de guía dispuesta en la sección de transición de combustible, en la que el área de flujo transversal inicial de la conexión de entrada de combustible de la sección de transición de combustible es más pequeña que el área de flujo transversal diferente en la conexión de salida del combustible de la sección de transición de combustible.

Una cuarta realización del procedimiento es similar a la primera realización del procedimiento, pero incluye tres etapas adicionales. La primera etapa adicional es proporcionar un segundo conducto de oxidante adyacente al primer conducto de oxidante, segundo conducto de oxidante que tiene una segunda entrada de oxidante y una segunda salida de oxidante separada de la segunda entrada de oxidante, segundo conducto de oxidante que está adaptado para transmitir otra corriente del oxidante o una corriente de otro oxidante que entra en la segunda entrada de oxidante y que sale de la segunda salida de oxidante. La segunda etapa adicional es transmitir la otra corriente del oxidante o la corriente del otro oxidante hasta la segunda entrada de oxidante, mediante lo cual, como mínimo, una parte de la otra corriente del oxidante o, como mínimo, una parte del otro oxidante se transmite desde la segunda entrada de oxidante hasta la segunda salida de oxidante. La tercera etapa adicional es la combustión de, como mínimo, otra parte del combustible que sale de la segunda salida de combustible con, como mínimo, una parte de la otra corriente del oxidante o con, como mínimo, una parte del otro oxidante que sale de la segunda salida de oxidante. En una variante de esta realización, la otra corriente del oxidante o la corriente del otro oxidante que sale de la segunda salida de oxidante del segundo conducto de oxidante se encuentra en un emplazamiento situado por debajo de una llama formada mediante la combustión de, como mínimo, una parte de la corriente del combustible que sale de la segunda salida de combustible de la sección de salida de combustible y de la, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante que sale de la conexión de salida de oxidante de la sección de salida de oxidante.

Otra realización del procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante incluye múltiples etapas. La primera etapa es proporcionar una fuente de combustible. La segunda etapa es proporcionar una fuente de oxidante. La tercera etapa consiste en proporcionar un quemador para la combustión del combustible con el oxidante, tal como el quemador de la quinta realización del quemador descrito anteriormente. La cuarta etapa es la combustión de, como mínimo, una parte del combustible con, como mínimo, una parte del oxidante en una ubicación adyacente a la boquilla del quemador. En una variante de esta realización del procedimiento, el segundo borde alargado incluye una sección afilada inicial que forma el ángulo principal (\alpha) de la boquilla y una sección curvada que termina en el primer borde alargado.

Otro aspecto de la invención es un procedimiento para la fusión de vidrio, proceso que incluye un método para la combustión de un combustible con un oxidante tal como en cualquiera de las realizaciones y variantes descritas anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirá la invención a modo de ejemplo haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una representación esquemática de una vista lateral de una realización de la invención;

la figura 2 es una representación esquemática de una vista lateral de una boquilla de quemador de una realización de la invención;

la figura 3 es una representación esquemática de una vista frontal de una boquilla de quemador para una realización de la invención;

la figura 4 es una representación esquemática de una vista de un extremo de un quemador para una realización de la invención que ilustra una entrada de oxidante con forma de Y;

la figura 5 es una representación esquemática de una vista en planta de una parte de la tobera de combustible para una realización de la invención que ilustra la utilización de aletas de guía en la sección de transición de la tobera de combustible;

la figura 6 es una representación esquemática de una vista lateral de una parte del quemador para una realización de la invención que ilustra una forma preferente de la cámara de oxidante;

la figura 7 es una representación esquemática de una vista lateral de otra realización de la invención que ilustra una forma alternativa de la cámara de oxidante;

la figura 8 es una representación esquemática de una vista transversal de una realización del quemador de la presente invención utilizada junto con un bloque refractario de quemador;

la figura 9 es un gráfico que compara la radiación relativa de la llama de un quemador de la presente invención con la de un quemador de la técnica anterior a diferentes longitudes de onda;

la figura 10 es una representación esquemática que ilustra los mecanismos de transmisión de calor por radiación desde una llama generada dentro de un horno para vidrio por un quemador y un procedimiento de la presente invención;

la figura 11 es un gráfico que ilustra la radiación normalizada de llama tal como se midió anteriormente y por debajo de una llama generada mediante un quemador y un procedimiento de la presente invención;

la figura 12 es una representación esquemática que ilustra un diseño cuadrado de un extremo de una boquilla de quemador;

la figura 13 es una representación esquemática que ilustra un diseño redondeado de un extremo de una boquilla de quemador;

la figura 14 es una representación esquemática que ilustra un diseño de boquilla de quemador con un solo ángulo, flujo separado, con forma de filo de cuchillo;

la figura 15 es una representación esquemática que ilustra un diseño de boquilla de quemador con un solo ángulo, flujo acoplado, con forma de filo de cuchillo;

la figura 16 es una representación esquemática que ilustra una realización de una boquilla de tobera de la presente invención;

la figura 17 es una representación esquemática que ilustra los patrones de flujo de reactivo para una realización de una boquilla de tobera de la presente invención;

la figura 18 es una fotografía que ilustra la acumulación de carbono que tiene lugar en la boquilla de un quemador de la técnica anterior y

la figura 19 es una representación esquemática que ilustra un diseño de un horno para vidrio.

Descripción detallada de la invención

La invención consiste en un quemador y un procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante. Aunque en el presente documento la invención se describe en el contexto de un quemador de oxígeno/gas (oxi-gas) para aplicaciones de fusión de vidrio, no está limitada a dichos quemadores y aplicaciones. Los expertos en la materia reconocerán que el quemador y el procedimiento se pueden utilizar en muchas otras aplicaciones de calentamiento con procedimientos de combustión, que incluyen pero sin limitarse a ellos, hornos para la producción de cemento, hornos de fusión de metales ferrosos/no ferrosos y generadores de vapor.

Cuando se utiliza en aplicaciones de fusión de vidrio, el quemador de oxi-gas produce una llama ancha, de alta temperatura, con una relación ampliada del máximo estado de carga respecto al mínimo estado de carga y con capacidad para el suministro graduado o ajustado (es decir, para retrasar la introducción) de un alto porcentaje de oxígeno por debajo de la longitud de la llama para obtener una emisión por radiación mejorada, menores emisiones de NO_{x} y mejor control de la longitud y del impulso de la llama que los que se podían lograr anteriormente con los quemadores de la técnica anterior. Este funcionamiento mejorado es el resultado del nuevo diseño y disposición de los componentes del quemador. En las aplicaciones de fusión de vidrio, en general el quemador se utiliza junto con un bloque refractario de quemador situado entre el quemador y el espacio de combustión del horno.

Según se emplea en el presente documento, el término "combustible" se refiere a cualquier combustible gaseoso adecuado para propósitos de combustión. Aunque uno de los combustibles preferidos es el gas natural, se pueden utilizar distintos gases combustibles, tales como hidrógeno, etano, propano, butano, acetileno y otros combustibles gaseosos y combinaciones de los mismos.

Según se emplea en el presente documento, el término "oxidante" se refiere a oxígeno, aire enriquecido con oxígeno o a cualquier otro oxidante adecuado con una concentración de oxígeno mayor de aproximadamente el 21% en volumen. Un oxidante preferente es oxígeno puro comercial generado por medio de una planta criogénica de separación de aire o mediante un proceso de adsorción. La concentración de oxígeno de dicho oxidante es típicamente mayor del 90% en volumen. La combinación de oxígeno puro comercial y de gas natural se utiliza con frecuencia en hornos de alta temperatura, tales como los hornos de fusión para vidrio.

La figura 1 muestra una vista lateral de una realización del quemador (10) de la presente invención. Un combustible (12), tal como gas natural, entra en la entrada (14) de combustible de la sección de entrada (16) de combustible. El combustible fluye a través de la sección de entrada de combustible, de la sección de transición (18) de combustible y de la sección de salida (20) de combustible, saliendo en la salida (22) de combustible. En la realización ilustrada en la figura 1, la sección de entrada de combustible es un tubo redondo, la sección de transición de combustible es una sección de transición que cambia de redonda a plana y la sección de salida de combustible es una pieza transversal plana. Preferentemente, las tres secciones son un montaje de tobera de combustible soldado previamente, con tres secciones y en una sola pieza.

En referencia aún a la figura 1, se alimenta un oxidante (24), tal como oxígeno, hasta un colector (26) de entrada de oxidante, tal como la entrada de oxidante de flujo laminar con forma de Y mostrada en la figura 4. Finalmente, el oxidante fluye hasta una cámara (28) de oxidante y se transmite hasta una sección de salida (30) de oxidante. Una placa (32) situada entre la cámara de oxidante y la sección de salida de oxidante tiene una abertura (34) a través de la que fluye el oxidante, tal como se muestra en la figura 2. La figura 6 ilustra de forma adicional esta realización. Los expertos en la materia reconocerán que son posibles realizaciones alternativas, tales como la realización alternativa mostrada en la figura 7.

Tal como se muestra en la figura 1, las clavijas de posición (36) situadas para obtener flujo laminar proporcionan apoyo entre la sección de salida (20) de combustible y la sección de salida (30) de oxidante. Se puede proporcionar un difusor (33) de oxidante más arriba de la cámara (28) de oxidante. La finalidad de este difusor es ayudar en la distribución del caudal de oxidante que entra en la cámara de oxidante. En referencia todavía a la figura 1, otro conducto (40) de oxidante (cámara de suministro graduado de oxígeno) adyacente a la cámara (28) de oxidante proporciona la capacidad de suministro graduado. El flujo de oxidante desde la cámara de oxidante hasta la cámara de suministro graduado de oxidante o hasta el conducto de oxidante se puede regular mediante una válvula graduada o ajustada (42) o mediante otro medio de regulación.

La figura 2 ilustra la sección de salida del quemador formada mediante la sección de salida (20) de combustible y la sección de salida (30) de oxidante. La figura 3 muestra una vista frontal de la sección de salida del quemador para una realización del quemador. No obstante, los expertos en la materia reconocerán que la sección de salida del quemador puede tener una forma(s) distinta de la que se muestra en la figura 3.

La figura 8 muestra una vista esquemática transversal en corte del quemador (10) de la presente invención acoplado a un bloque refractario (150) de quemador. Dentro de la cámara superior (152) del bloque del quemador se forma una llama (151) de alta temperatura. El oxidante (153) procedente de la sección de salida (30) de oxidante del quemador rodea a la llama, lo que alimenta de forma simultánea oxidante hacia el interior de la llama y proporciona un enfriamiento por convección de la superficie refractaria (154) adyacente a la llama. El oxidante (155) suministrado de forma graduada pasa a través de la cámara inferior (156) del bloque del quemador.

Los resultados mejorados de la presente invención en relación con los de la técnica anterior se deben a la disposición y estructura únicas de los distintos componentes del quemador (10). Algunos de los aspectos más importantes de la estructura y de la disposición se describen a continuación.

Por ejemplo, según se muestra en las figuras 1 y 2, el área de flujo transversal de la sección de salida (30) de oxidante debe ser menor o igual que el área de flujo transversal de la cámara (28) de oxidante y debe ser sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida de oxidante. (Las clavijas de posición -36- situadas para obtener flujo laminar reducen el área de flujo transversal de la sección de salida de oxidante en aproximadamente un 3% localmente, aunque están diseñadas de forma que no se generen remolinos turbulentos ni se altere de forma importante la distribución de velocidad de oxidante en la conexión de salida de la sección de salida). La finalidad de reducir el área de flujo transversal es permitir que se reduzca la presión estática del flujo de oxidante en la dirección del flujo, ya que dicho gradiente de presión "favorable" ayuda a eliminar la falta de uniformidad en la velocidad.

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El área de flujo transversal de la sección de transición (18) de combustible varía desde un área de flujo transversal inicial en la entrada de combustible de la sección de transición de combustible, hasta un área de flujo transversal distinta en la conexión de salida de combustible de la sección de transición de combustible. El área de flujo transversal de la sección de salida (20) de combustible es sustancialmente uniforme de principio a fin. En una realización, el área de flujo transversal en la conexión de entrada de la sección de transición de combustible es mayor o igual que el área de flujo transversal en la conexión de salida de la sección de transición de combustible, ya que esto crea un gradiente de presión favorable, con los beneficios indicados anteriormente. (En el caso de tener áreas de entrada y de salida iguales se crea un gradiente de presión neutro que no afecta de forma negativa a la distribución de velocidad del flujo).

En otra realización, el área de flujo transversal en la conexión de entrada de la sección de transición (18) de combustible es menor que el área de flujo transversal en la conexión de salida de la sección de transición de combustible. Dicha realización favorece la generación de un gradiente de presión "adverso" (la presión aumenta en la dirección del flujo) que, sin intervención, conduciría a aumentos en la falta de uniformidad de la velocidad y potencialmente a la formación de regiones de flujo invertido y a altos niveles de turbulencia. A efectos de evitar estas consecuencias perjudiciales, esta realización requiere la inserción de una o más aletas de guía (50) tal como se muestra en la figura 5.

En una realización, el área de flujo transversal en la conexión de salida de combustible de la sección de transición (18) de combustible es sustancialmente no circular y el área de flujo transversal de la sección de salida (20) de combustible es sustancialmente no circular. En otra realización, la sección de salida de combustible tiene una relación de dimensiones (anchura:altura) mayor de aproximadamente 2:1 en la salida (22) de combustible y la sección de transición de combustible tiene una relación de dimensiones mayor de aproximadamente 2:1 en la conexión de salida de combustible. En otra realización más, la proporción del área de flujo transversal en la conexión de salida de la sección de salida (30) de oxidante al área de flujo transversal en salida de combustible de la sección de salida (20) de combustible es menor que la proporción molar de oxidante a combustible requerida para la combustión estequiométrica. (La combustión estequiométrica es teóricamente la combustión completa del combustible sin exceso de oxidante. Para la combustión de metano con oxígeno, la proporción de área citada sería por tanto menor de 2:1 en esta realización).

Este aspecto de la invención establece una proporción de velocidades medias de flujo en la sección de salida (20) de combustible y en la sección de salida (30) de oxidante que es igual a 1,0 solo cuando hay menos oxidante fluyendo a través de la sección de salida de oxidante que la cantidad estequiométrica. El efecto así alcanzado consiste en minimizar la diferencia entre las velocidades medias de flujo de las corrientes de combustible y de oxidante y, por lo tanto, en minimizar el esfuerzo de cizalladura y la velocidad de mezcla entre las corrientes de reactivo, cuando se encuentra fluyendo menos oxidante del estequiométrico a través de la sección de salida de oxidante. El beneficio resultante es que se permiten altos porcentajes de graduación del suministro de oxidante sin peligro de producir daños debidos a temperaturas elevadas en el quemador (10) o en el bloque refractario (150) de quemador. Niveles más altos de graduación del suministro producen llamas más largas y más luminosas que producen un mayor rendimiento energético y emisiones reducidas de NO_{x}.

Los resultados mejorados logrados por los aspectos de la invención hasta aquí descritos se verificaron por medio de ensayos de laboratorio y de campo comparando el funcionamiento del quemador de la presente invención con el quemador de la técnica anterior enseñado en la patente U.S.A. Nº 5.611.682 (Slavejkov y otros). Algunos de los resultados de estos ensayos y de las comparaciones se describen a continuación.

Se hicieron mediciones de las distribuciones de velocidad en las salidas de combustible y de oxidante de los dos quemadores. La falta de uniformidad en la velocidad se cuantificó mediante la utilización de un solo parámetro que representa la desviación típica de la velocidad local respecto de la velocidad media en una sección transversal en particular. Los resultados de las mediciones y de los cálculos posteriores indican que la falta de uniformidad en la velocidad del quemador de la presente invención es, por término medio, un tercio de la magnitud de la de los quemadores de la técnica anterior. La distribución de flujo lograda en la tobera con el quemador de la presente invención se traduce en un mejor control de los procedimientos de mezclado entre el oxígeno y el gas natural. De forma específica, una mejor uniformidad significa velocidades de cizalla más bajas y menos probabilidad de agotamiento localizado de oxígeno. Por lo tanto, hay una mayor capacidad de graduación del suministro y menos riesgo de sobrecalentamiento en el interior de la precámara de combustión o del bloque del quemador. Por otra parte, la mejor uniformidad del flujo de reactivo da como resultado una mejor uniformidad de las propiedades de la llama y, en particular, una reducción en las temperaturas máximas de llama que conducen a un sobrecalentamiento del material refractario del horno y a mayores emisiones de NO_{x}.

Una comparación de los requisitos de presión estática de entrada de combustible de los dos quemadores mostró una reducción sustancial en el requisito de presión de entrada de combustible en relación con el quemador de la técnica anterior. En particular, las mediciones mostraron una reducción mayor del 80% en la presión de entrada de combustible en el quemador de la presente invención. La reducción de presión se debe principalmente al requisito de que el área de flujo transversal de la sección de salida (20) de combustible es sustancialmente uniforme de principio a fin. Por lo tanto, en la sección de salida no existen dispositivos de mezcla estáticos (tales como placas deflectoras). Estos dispositivos de mezcla estáticos se utilizan de forma convencional para mejorar la uniformidad de la velocidad mediante la creación de una gran caída de presión (que disipa energía en forma de remolinos turbulentos) y mediante la promoción de mezcla turbulenta. El quemador de la presente invención evita la necesidad de instalar dispositivos de mezcla estáticos y así consigue obtener el "suavizado" del perfil de velocidad en el interior de la sección de transición (18) de combustible con una pérdida de presión mínima y con una generación de turbulencia despreciable.

Las mediciones muestran que la presión de entrada de combustible del quemador (10) de la presente invención es más baja para la realización que usa aletas de guía (50) en la sección de transición (18) de combustible, ya que las aletas de guía convierten de forma eficaz una parte de la energía cinética en la conexión de entrada hasta la sección de transición en energía de presión en la conexión de salida de la sección de transición, al mismo tiempo que aún se consigue el suavizado de velocidad requerido.

El quemador (10) de la presente invención también requiere una presión de entrada de oxígeno sustancialmente más baja que la del quemador de la técnica anterior para dos modos de operación: 1) válvula de graduación del suministro (42) cerrada y 2) válvula de graduación del suministro totalmente abierta. De forma similar a la presión de entrada de combustible, la razón principal para esto es que el área de flujo transversal de la sección de salida (30) de oxidante es sustancialmente uniforme a lo largo de toda la sección de salida de oxidante y, por lo tanto, se encuentra libre de los efectos que desestabilizan el flujo y de los efectos generadores de turbulencia de los dispositivos de mezcla estáticos. El suavizado de la distribución de velocidad de oxígeno tiene lugar entre la cámara (28) de oxígeno y la conexión de entrada a la sección de salida (30) de oxígeno a través de la reducción en el área de flujo transversal que tiene lugar entre estas dos secciones.

Como la mayoría de las instalaciones de quemadores tienen presiones de suministro de oxígeno y/o combustible limitadas, una ventaja principal de las reducciones sustanciales en los requisitos de presión de combustible y de oxígeno logrados con la presente invención, es la capacidad de llevar a cabo la combustión en los quemadores con un caudal mayor. En algunos casos las presiones más bajas también pueden dar como resultado un consumo más bajo de potencia para una planta de separación de aire que suministra oxígeno como oxidante. Además, el nivel de turbulencia más bajo generado en el quemador de la presente invención da como resultado la capacidad de hacer funcionar el quemador con un caudal mayor con un riesgo menor de sobrecalentamiento del quemador o de una mala distribución de temperatura en el horno causados por la generación de una llama corta, excesivamente turbulenta.

También se hicieron mediciones de radiación espectral de las llamas de los dos quemadores durante la combustión al aire libre. En la figura 9 se presenta una comparación de las emisiones espectrales de llama con un régimen de combustión de 15 MMBtu/h, con niveles de graduación del suministro de oxidante ajustados a sus respectivos niveles máximos de diseño. El nivel máximo de diseño de graduación del suministro para estos quemadores se encuentra determinado por la capacidad del oxidante que se emite a través de la sección de salida (30) de oxidante para proporcionar un enfriamiento adecuado de la precámara de combustión durante todo el intervalo de régimen de combustión del quemador. El nivel máximo de graduación del suministro de oxígeno que se puede alcanzar en la práctica para el quemador de la presente invención es, como mínimo, el 70% del oxígeno total de combustión, mientras que el nivel máximo de graduación del suministro para el quemador de la técnica anterior se encuentra en general en el intervalo del 40%, dependiendo del régimen de combustión.

Los límites de graduación del suministro para el quemador de la presente invención se aumentan en relación con los de la técnica anterior porque la distribución de flujo mejorada de la tobera y los niveles más bajos de turbulencia reducen la velocidad de mezcla entre las corrientes de combustible y de oxígeno en el interior de la precámara de combustión y también minimizan la aparición de deficiencias locales en el flujo de oxígeno. Estas características de flujo mejoradas aseguran un enfriamiento adecuado de la precámara de combustión para el quemador de la presente invención, incluso durante el funcionamiento con niveles de graduación del suministro y de regímenes de combustión extremadamente altos.

Tal como se muestra, hay una radiación sustancialmente mayor emitida desde el quemador de la presente invención (mayor de un incremento global del 25%). La principal mejora en la radiación tiene lugar en la banda de longitud de onda situada por debajo de 1800 nm, lo que significa un aumento en la emisión de cuerpo negro, la causa de lo cual es la llama principal más rica en combustible para el quemador (debido a mayores niveles de graduación del suministro de oxígeno) y, en consecuencia, una formación y un crecimiento más abundantes de partículas de hollín. La transmisión de calor por radiación a través de este intervalo del espectro electromagnético es ideal en los tanques de fusión de vidrio porque el intervalo espectral cae dentro de la región de transmisión óptica más elevada del vidrio fundido. Por lo tanto, la energía transferida desde la llama es capaz de penetrar en profundidad dentro del vidrio fundido, lo que proporciona un calentamiento más uniforme y una utilización más eficaz de la energía existente en el combustible.

La figura 10 muestra una vista lateral del funcionamiento del quemador de la presente invención en un horno para vidrio (80) típico. El combustible (82) y el oxígeno (84) se queman en el quemador para crear una llama principal (86) rica en combustible bajo la que se transmite el oxidante (88) suministrado de forma graduada. La llama principal rica en combustible tiene una concentración de hollín alta. La radiación ascendente (90) se transmite hacia la bóveda (92) del horno. La reacción del oxidante suministrado de forma graduada crea una llama (94) estequiométrica relativamente caliente en la parte inferior de la llama principal desde la que se transmite la radiación descendente (96) hasta la materia prima (98) o carga. Un efecto principal de la graduación del suministro por debajo de la llama es que ésta produce radiación de cuerpo negro que se dirige preferentemente de arriba hacia abajo hacia la materia prima (98) o carga. Los mecanismos principales que conducen este efecto son la formación mejorada de hollín de la llama principal (86) rica en combustible acompañada de la llama (94) de alta temperatura, alta luminosidad, situada en la parte inferior, creada mediante la reacción entre el oxidante (88) suministrado de forma graduada y la llama principal. Si bien la radiación (96) que procede de la parte inferior de la llama tiene una trayectoria prácticamente despejada hacia abajo en la dirección de la materia prima (por ejemplo, vidrio fundido), la llama principal opaca, "ópticamente gruesa", obstruye de forma parcial la transmisión de la radiación hacia arriba. El efecto polarizante así producido es claramente beneficioso para el procedimiento de fusión de vidrio ya que este efecto maximiza el calentamiento de la superficie del vidrio por la llama al tiempo que minimiza el calentamiento directo por radiación de la bóveda (92) del horno.

Haciendo referencia a la figura 11, se llevaron a cabo mediciones de laboratorio de la radiación térmica que se emanaba hacia abajo y hacia arriba desde el quemador de la presente invención sobre el ancho de banda comprendido entre 600 y 1800 nm. Los resultados se presentan como radiación de llama normalizada frente a proporción de equivalencia de llama principal. La radiación de llama normalizada es la radiación de la llama, integrada sobre el ancho de banda indicado, dividida entre la radiación de llama integrada en una proporción de equivalencia de llama principal de 1,0 (que se corresponde con la combustión estequiométrica sin graduación del suministro). La proporción de equivalencia de llama principal es la proporción real de combustible a oxidante (primario) dividido entre la proporción de combustible a oxidante para la combustión estequiométrica. Por lo tanto, las proporciones de equivalencia más altas se corresponden con llamas principales más ricas en combustible. Los resultados indican con claridad una diferencia que aumenta de forma progresiva (polarización) en la radiación direccional con el aumento de la proporción de equivalencia. Cuanto más rica es la llama principal en combustible, mayor es el porcentaje de la radiación total de cuerpo negro que se dirige hacia abajo. Así, la capacidad para operar con niveles más altos de graduación del suministro de oxidante proporcionada por el quemador de la presente invención no solo produce una llama más radiante, sino que dirige un mayor porcentaje de esa radiación hacia la materia prima (98), al tiempo que protege a la bóveda (92) de una radiación excesiva.

Las figuras 12-17 y la descripción que sigue a continuación están relacionadas con la boquilla avanzada de la tobera del quemador de la presente invención, que hace posible una duración mejorada del quemador y un mantenimiento reducido del quemador. El diseño de la boquilla, tal como se utiliza en este contexto, se refiere al contorno de la superficie que separa las corrientes de oxidante y de combustible justo más arriba del punto en el que se descargan los reactivos desde la tobera del quemador. Cuatro variantes comunes de los diseños de la boquilla de la técnica anterior mostrados en las figuras 12-15 son:

figura 12 - borde cuadrado

figura 13 - borde redondeado

figura 14 - un solo ángulo, flujo separado, forma de filo de cuchillo

figura 15 - un solo ángulo, flujo acoplado, forma de filo de cuchillo.

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Cada uno de estos diseños de la técnica anterior tiene, como mínimo, una deficiencia inherente, tal como se describe a continuación.

El extremo cuadrado de la boquilla (100) del quemador mostrado en la figura 12 da como resultado un flujo separado del oxidante (102) y del combustible (104) en la boquilla. Dependiendo de la proporción de las velocidades del oxidante y del combustible, esto puede producir torbellinos (106) simétricos de recirculación, de una escala relativamente grande, cuyos segmentos serán ricos en combustible, lo que promueve el crecimiento de carbono sólido en la boquilla.

El extremo redondeado de la boquilla (110) del quemador mostrado en la figura 13 también da como resultado un flujo separado del oxidante (112) y del combustible (114) en la boquilla. Dependiendo de la proporción de las velocidades del oxidante y del combustible, esto también puede producir torbellinos (116) simétricos de recirculación, más pequeños (comparados con el extremo cuadrado) aunque de un tamaño aún sustancial, cuyos segmentos serán ricos en combustible, lo que promueve el crecimiento de carbono sólido en la boquilla.

La boquilla (120) de quemador con un solo ángulo, flujo separado, con forma de filo de cuchillo mostrado en la figura 14 también da como resultado el flujo separado del oxidante (122) y del combustible (124) en la boquilla. Dependiendo de la proporción de las velocidades del oxidante y del combustible, esto también produce dos torbellinos (126) asimétricos de recirculación, de una escala relativamente grande, cuyos segmentos serán ricos en combustible, lo que promueve el crecimiento de carbono sólido en la boquilla. El borde afilado (128) en la parte inferior derecha de la boquilla de la tobera también puede limitar la conducción de calor hacia afuera de la boquilla, lo que da como resultado una distorsión de la boquilla inducida térmicamente. Nominalmente el ángulo crítico (\alpha_{crit}) para que tenga lugar la separación de flujo es menor de 15 grados.

La boquilla (130) de quemador con un solo ángulo, flujo acoplado, con forma de filo de cuchillo mostrada en la figura 15 es una mejora sobre los diseños mostrados en las figuras 12-14. Como el ángulo de divergencia de la superficie de oxidante es menor que el ángulo crítico (\alpha_{crit}) para la separación de flujo, los flujos de oxidante (132) y de combustible (134) permanecen acoplados a la boquilla de la tobera y se evita la acumulación de carbono en la boquilla. No obstante, el borde (138) delgado, afilado, es mecánicamente inestable e incluso más propenso a la deformación de la boquilla inducida térmicamente que el diseño con un solo ángulo, flujo separado, con diseño en forma de filo de cuchillo. Una vez que ha tenido lugar la deformación, el funcionamiento del quemador se ve afectado de forma negativa.

Tal como se muestra, cada uno de los diseños de boquilla mostrados en las figuras 12-15 tiene, como mínimo, una deficiencia inherente: flujo separado de uno o más de los reactivos, o una falta inadecuada de robustez mecánica. Se sabe que estas deficiencias conducen a problemas de funcionamiento y de mantenimiento de acumulación de carbono y a distorsión de la boquilla, precursores de la distorsión de la llama y de un mal funcionamiento del quemador y/o de fallo prematuro.

La boquilla avanzada (140) de la tobera de la presente invención incluye tres parámetros de diseño mostrados en la figura 16. El ángulo principal (\alpha) de la boquilla es lo bastante pequeño como para asegurar que la curvatura inicial de las líneas de flujo del oxidante tiene lugar sin la inducción de separación de flujo. El radio (R) facilita una transición suave de la corriente de oxidante entre la sección recta afilada (147) y la punta (148). Este radio, comparado con un punto afilado, retrasa de forma sustancial la separación de flujo en esta región de transición. Finalmente, el ángulo secundario agudo (\beta) proporciona una terminación de la tobera que limita de forma sustancial la migración del gas de combustible hacia atrás hacia el lado de oxidante de la tobera.

La figura 17 ilustra los beneficios de funcionamiento de la boquilla avanzada (140) de la tobera de la presente invención. La punta amplia (148) evita la deformación térmica proporcionando un camino suficientemente amplio para disipar afuera el calor de la boquilla a través de conducción, el ángulo agudo (\beta) de la boquilla limita la recirculación del gas de combustible y, dependiendo de la proporción de las velocidades del oxidante y del combustible, hay una separación mínima, o no hay ninguna, de flujo de oxidante o de combustible en la boquilla. Así se evita la acumulación de carbono en la boquilla.

En una realización de la invención, los intervalos de los parámetros de diseño de la boquilla son:

ángulo principal de la boquilla, \alpha: 0 < \alpha < 15º

radio de giro, R: no es absolutamente esencial, pero se recomienda un R > 1/64 pulgadas.

ángulo secundario, \beta: \beta < 90º

Como un ejemplo de la mejora proporcionada por el diseño de boquilla de quemador mejorada, la figura 18 ilustra la cantidad de acumulación de carbono (160) que tiene lugar en una boquilla con un diseño similar al ilustrado en la figura 13 durante un periodo de funcionamiento de aproximadamente dos semanas en un horno industrial para vidrio. El diseño de boquilla de quemador mejorada de la presente invención no mostró una acumulación de carbono detectable en la misma posición de quemador con los mismos parámetros de funcionamiento de quemador durante un periodo de tiempo sustancialmente superior a dos semanas.

La figura 19 ilustra el diseño de un horno típico (60) para vidrio que tiene un lado izquierdo (62) y un lado derecho (64). Los quemadores, tales como los de la presente invención, se sitúan a ambos lados y generan en el horno llamas (66) de alta temperatura. Los gases de combustión procedentes de la combustión del combustible y el oxidante salen a través de las salidas (68) de humos situadas en los lados izquierdo y derecho del horno. Los lotes de cargas (70) entran en el horno y se funden mediante el calor generado por las llamas de alta temperatura. El producto fundido (72) se retira del horno y se transporta por medio de medios de transporte (no mostrados) hasta un refinador (no mostrado).

El funcionamiento del horno se mejora de varias formas como resultado del funcionamiento mejorado del quemador y del procedimiento de la presente invención. La capacidad para hacer funcionar los quemadores con un impulso más alto y con más graduación del suministro (comparados con los de los quemadores de la técnica anterior) conduce a la generación de llamas ricas en combustible, más largas, más estables, con emisiones más bajas de NO_{x}. Las llamas más largas, más estables producen mayores velocidades globales de transmisión de calor a la carga. Además, la combinación de la mejor uniformidad de las propiedades de la llama y el funcionamiento con una elevada graduación del suministro minimiza la temperatura/radiación máxima, lo que ayuda de esta forma a reducir la formación de espumas. Las mayores velocidades de transmisión de calor desde la llama hasta el vidrio aumentan las temperaturas del vidrio presente en la parte inferior del horno, lo que mejora la recirculación del vidrio desde el refinador hasta el tanque, lo que reduce de este modo los defectos del vidrio (aumentando la producción). Finalmente, la eliminación de la acumulación de carbono en las boquillas del quemador evita la distorsión de la llama, mejora la duración del quemador y reduce los requisitos de mantenimiento del quemador.

La ratificación de los beneficios en el funcionamiento del horno procedentes de la utilización del quemador de la presente invención se consiguió mediante la realización de un ensayo completo en un horno en el que los quemadores de la presente invención sustituyeron a los quemadores de la técnica anterior tales como los enseñados en la patente U.S.A. Nº 5.611.682 (Slavejkov y otros). El horno industrial utilizado para este ensayo es similar al que se representa en la figura 8, que tiene cuatro posiciones de combustión (pares de quemadores situados a la izquierda y a la derecha) y cuatro salidas de humos. La composición de las materias primas, velocidad de salida del horno (velocidad de retirada del producto del horno) y los caudales de gas natural y oxígeno del quemador se mantuvieron todos esencialmente iguales antes y después de la instalación de los quemadores de la presente invención. Los parámetros clave de funcionamiento y los resultados obtenidos a partir del ensayo completo en el horno se presentan en la Tabla 1.

TABLA 1

1

Aunque lo ilustrado y descrito en el presente documento es en relación con ciertas realizaciones específicas, no obstante no se pretende que la presente invención esté limitada a los detalles mostrados. En vez de ello, se pueden hacer varias modificaciones en los detalles dentro del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones.

Claims (18)

1. Un quemador (10) para la combustión de un combustible (12), que comprende:

un conducto para el combustible que tiene una pluralidad de secciones de combustible, estando cada sección de combustible en comunicación fluida entre sí y adaptado para transmitir una corriente del combustible (12), que incluye

una sección de entrada (16) de combustible que tiene una primera entrada (14) de combustible y una primera salida de combustible separada de la primera entrada (14) de combustible, cuya sección de entrada de combustible tiene una primera área de flujo transversal y se encuentra adaptada para transmitir la corriente del combustible (12) que entra por la primera entrada (14) de combustible y que sale por la primera salida de combustible,

una sección de transición (18) de combustible que tiene una conexión de entrada de combustible y una conexión de salida de combustible separada de la conexión de entrada de combustible, estando adaptada la sección de transición (18) de combustible para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del combustible (12) que entra en la conexión de entrada de combustible y que sale de la conexión de salida de combustible y que tiene una segunda área de flujo transversal, cuya segunda área de flujo transversal varía desde un área de flujo transversal inicial en la conexión de entrada de combustible hasta un área de flujo transversal diferente en la conexión de salida de combustible y

una sección de salida (20) de combustible que tiene una segunda entrada de combustible y una segunda salida (22) de combustible separada de la segunda entrada de combustible, cuya sección de salida de combustible se encuentra adaptada para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del combustible (12) que entra en la segunda entrada de combustible y que sale de la segunda salida (22) de combustible y que tiene una tercera área de flujo transversal, tercera área de flujo transversal que es sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida (20) de combustible y

un primer conducto de oxidante que tiene una pluralidad de secciones de oxidante, estando cada sección de oxidante en comunicación fluida entre sí y adaptado para transmitir una corriente de un oxidante (24), que incluye

una sección de entrada de oxidante que tiene una primera entrada de oxidante y una primera salida de oxidante separada de la primera entrada de oxidante, sección de entrada de oxidante que se encuentra adaptada para transmitir una corriente del oxidante (24) que entra en la primera entrada de oxidante y que sale de la primera salida de oxidante y que tiene una cuarta área de flujo transversal, encontrándose, como mínimo, una parte de la sección de entrada de oxidante separada alrededor de sustancialmente la totalidad de, como mínimo, una parte de cómo mínimo una de las: sección de entrada (16) de combustible, sección de transición (18) de combustible y sección de salida (20) de combustible y

una sección de salida (30) de oxidante que tiene una conexión de entrada de oxidante y una conexión de salida de oxidante separada de la conexión de entrada de oxidante, cuya sección de salida (30) de oxidante se encuentra adaptada para transmitir, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante (24) que entra en la conexión de entrada de oxidante y que sale de la conexión de salida de oxidante y que tiene una quinta área de flujo transversal, siendo la citada quinta área de flujo transversal menor o igual que la cuarta área de flujo transversal y siendo sustancialmente uniforme a lo largo de la sección de salida de oxidante, estando, como mínimo, una parte de la sección de salida (30) de oxidante separada alrededor de sustancialmente toda la, como mínimo, una parte de la sección de salida (20) de combustible.

2. Quemador, según la reivindicación 1, que además comprende:

un segundo conducto (40) de oxidante adyacente al primer conducto de oxidante, cuyo segundo conducto (40) de oxidante tiene una segunda entrada de oxidante y una segunda salida de oxidante separada de la segunda entrada de oxidante, cuyo segundo conducto (40) de oxidante está adaptado para transmitir otra corriente del oxidante o una corriente de otro oxidante que entra en la segunda entrada de oxidante y que sale de la segunda salida de oxidante.

3. Quemador, según la reivindicación 1, que además comprende un conducto de entrada de oxidante con forma de Y en comunicación fluida con la sección de entrada de oxidante y adaptado para alimentar la corriente de oxidante (24) hasta la primera entrada de oxidante de la sección de entrada de oxidante.

4. Quemador, según la reivindicación 1, que además comprende, como mínimo, una aleta de guía (50) dispuesta en la sección de transición (18) de combustible, en la que el área de flujo transversal inicial en la conexión de entrada de combustible de la sección de transición de combustible es más pequeña que el área de flujo transversal diferente en la conexión de salida de combustible de la sección de transición (18) de combustible.

5. Quemador, según la reivindicación 1, en el que la proporción de la quinta área de flujo transversal de la sección de salida (30) de oxidante a la tercera área de flujo transversal de la sección de salida (20) de combustible es menor que la proporción molar de oxidante a combustible requerida para la combustión estequiométrica.

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6. Quemador, según la reivindicación 2, en el que la otra corriente del oxidante o la corriente del otro oxidante que sale de la segunda salida de oxidante del segundo conducto (40) de oxidante se encuentra en un emplazamiento situado por debajo de una llama formada mediante la combustión de, como mínimo, una parte de la corriente del combustible (12) que sale de la segunda salida de combustible de la sección de salida (20) de combustible y de, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante (24) que sale de la conexión de salida de oxidante de la sección de salida (30) de oxidante.

7. Quemador para la combustión de un combustible (10), según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, quemador que tiene un eje longitudinal y que incluye una boquilla (140) de quemador que tiene

un primer borde alargado adyacente a un flujo de combustible y

un segundo borde alargado adyacente a un flujo de un oxidante y que forma un ángulo principal (\alpha) de la boquilla de menos de aproximadamente 15º entre una línea paralela al eje longitudinal y que se cruza con una superficie situada más arriba paralela al eje longitudinal,

formando el primer borde alargado y el segundo borde alargado un ángulo de boquilla secundario (\beta) mayor que el ángulo principal (\alpha) de la boquilla y menor de aproximadamente 90º entre una línea tangente al primer borde alargado en la dirección del flujo del combustible (12) y que se extiende desde el mismo.

8. Quemador, según la reivindicación 7, en el que el segundo borde alargado comprende una sección afilada inicial (147) que forma el ángulo principal (\alpha) de la boquilla y

una sección curvada (148) que termina en el primer borde alargado.

9. Horno para la fusión de vidrio, horno que tiene, como mínimo, un quemador según la reivindicación 1.

10. Procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante, que comprende las etapas de:

proporcionar una fuente de combustible;

proporcionar una fuente de, como mínimo, un oxidante;

proporcionar un quemador (10) según la reivindicación 1;

transmitir la corriente del combustible (12) hasta la primera entrada (16) de combustible, mediante la cual, como mínimo, una parte de la corriente de combustible (12) se transmite desde la primera entrada (14) de combustible hasta la segunda salida (22) de combustible;

transmitir la corriente del oxidante (24) hasta la primera entrada de oxidante, mediante la cual, como mínimo, una parte de la corriente de oxidante (24) se transmite desde la primera entrada de oxidante hasta la conexión de salida de oxidante; y

combustión de, como mínimo, una parte del combustible (12) que sale de la segunda salida (22) de combustible con, como mínimo, una parte del oxidante (24) que sale del conducto de salida de oxidante.

11. Procedimiento, según la reivindicación 10, que comprende las etapas adicionales de:

disponer un segundo conducto (40) de oxidante adyacente al primer conducto de oxidante, segundo conducto (40) de oxidante que tiene una segunda entrada de oxidante y una segunda salida de oxidante separada de la segunda entrada de oxidante, segundo conducto (40) de oxidante que está adaptado para transmitir otra corriente del oxidante o una corriente de otro oxidante que entra en la segunda entrada de oxidante y que sale de la segunda salida de oxidante;

transmitir la otra corriente del oxidante o la corriente del otro oxidante hasta la segunda entrada de oxidante, mediante lo cual, como mínimo, una parte de la otra corriente del oxidante o, como mínimo, una parte del otro oxidante se transmite desde la segunda entrada de oxidante hasta la segunda salida de oxidante y

combustión de, como mínimo, otra parte del combustible (12) que sale de la segunda salida (22) de combustible con, como mínimo, una parte de la otra corriente del oxidante o con, como mínimo, una parte del otro oxidante que sale de la segunda salida de oxidante.

12. Procedimiento, según la reivindicación 10, que comprende las etapas adicionales de:

disponer un conducto de entrada de oxidante con forma de Y en comunicación fluida con la sección de entrada de oxidante y adaptado para alimentar la corriente del oxidante (24) hasta la primera entrada de oxidante de la sección de entrada de oxidante y

alimentar, como mínimo, una parte del oxidante hasta el conducto de entrada de oxidante con forma de Y.

13. Procedimiento, según la reivindicación 10, que comprende la etapa adicional de proporcionar, como mínimo, una aleta de guía (50) dispuesta en la sección de transición (18) de combustible, en la que el área de flujo transversal inicial en la conexión de entrada de combustible de la sección de transición de combustible es más pequeña que el área de flujo transversal diferente en la conexión de salida de combustible de la sección de transición (18) de combustible.

14. Procedimiento, según la reivindicación 10, en el que la proporción de la quinta área de flujo transversal de la sección de salida (30) de oxidante a la tercera área de flujo transversal de la sección de salida (20) de combustible es menor que la proporción molar de oxidante a combustible requerida para la combustión estequiométrica.

15. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que la otra corriente del oxidante o la corriente del otro oxidante que sale de la segunda salida de oxidante del segundo conducto de oxidante se encuentra en un emplazamiento situado por debajo de una llama formada mediante la combustión de, como mínimo, una parte de la corriente del combustible (12) que sale de la segunda salida (22) de combustible de la sección de salida (20) de combustible y de, como mínimo, una parte de la corriente del oxidante (24) que sale de la conexión de salida de oxidante de la sección de salida (30) de oxidante.

16. Procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante, según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, que comprende las etapas de:

proporcionar una fuente de combustible;

proporcionar una fuente de oxidante;

proporcionar un quemador (10) según la reivindicación 7 y

combustión de, como mínimo, una parte del combustible con, como mínimo, una parte del oxidante en una ubicación adyacente a la boquilla (140) del quemador.

17. Procedimiento, según la reivindicación 16, en el que el segundo borde alargado comprende

una sección afilada inicial (147) que forma el ángulo principal (\alpha) de la boquilla y

una sección curvada (148) que termina en el primer borde alargado.

18. Procedimiento para la fusión de vidrio, procedimiento que incluye un procedimiento para la combustión de un combustible con un oxidante según la reivindicación 10.