ES2567784T3 - Método para calentar una estufa de alto horno - Google Patents
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Abstract
Método para calentar una estufa de alto horno (300, 400, 500, 600) mediante la combustión de un combustible con un poder calorífico inferior (PCI) de 9 MJ / Nm3 o menos en una zona de combustión, dispuesto en una cámara de combustión (301; 401; 501; 601) en la estufa, y hacer que los gases de combustión circulen a través de y calienten de ese modo material refractario (302; 402; 502; 602) en la estufa, caracterizado por que el combustible combustiona con un oxidante que comprende al menos 85 % de oxígeno, y por que se hace que los gases de combustión recirculen en la zona de combustión y diluyan así la mezcla de combustible y oxidante de manera suficiente para que la combustión sea sin llama.
Description
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En el modo de funcionamiento "convencional" de la tabla 3, funcionan cuatro estufas con el fin de alimentar 195.000 Nm3 / h de chorro de aire a una temperatura de 1.125 °C. Calentar este volumen de aire desde la temperatura ambiente requiere 308 GJ de energía por hora, que se proporcionan teniendo dos estufas ‘en chorro’. Por tanto, la eficacia total de la estufa, definida como (energía en chorro de aire) / (calor de combustión alimentado a estufas), es de 308 / (2 · 208) o de alrededor de 74 %. Parte de esta ineficiencia se asocia al calor sensible al gas combustible.
El dispositivo de reciclado 511 está dispuesto para reciclar suficientes gases de combustión con el fin de hacer que la combustión en la zona de combustión sea sin llama mediante la reducción de la concentración de oxígeno en la cámara de combustión 501.
Con el fin de hacer que la combustión en la zona de combustión sea sin llama, se ha encontrado que un porcentaje total de oxígeno en volumen de no más de aproximadamente 12 %, preferiblemente de no más de 10 %, de la parte inerte de la atmósfera en la cámara de combustión 501, sin contar los gases de combustión de componentes combustibles, producirá de manera efectiva una combustión sin llama. Por tanto, se prefiere que una cantidad suficientemente grande de gases de combustión sea reciclada para producir una concentración continua de oxígeno en la cámara de combustión 501 que sea igual o inferior a este porcentaje.
Ya que todo el oxidante se alimenta a la cámara de combustión 501 a través del dispositivo de reciclado 511 y posiblemente a través de una o varias lanzas de oxidante 310, 311, 312, se conoce la cantidad de oxígeno alimentado por unidad de tiempo. Por tanto, se puede calcular la cantidad de gases de combustión para reciclar por unidad de tiempo con el fin de conseguir las concentraciones de oxígeno suficientemente bajas descritas anteriormente.
En el ejemplo de la tabla 3, se desea una concentración de O2 del 11 %, mientras que por cada unidad de volumen de O2, se necesitan entre 1 / 0,11 y 1 ≈ 8,1 unidades de gas inerte. Para cada unidad de volumen de gas de tragante alimentado, se alimentan alrededor de 0,14 unidades de volumen de O2 en forma de un oxidante que comprende oxígeno industrialmente puro, con el fin de lograr el Lambda deseado de aproximadamente 1,125. Esto significa que se alimentan alrededor de 1 / 0,14 ≈ 7,1 unidades de combustible para cada unidad de oxígeno. Ya que aproximadamente el 75 % en volumen de gas de tragante está constituido por gases inertes, si se mantiene la precisión decimal de fases de cálculo anteriores, cada unidad de volumen de O2 en la cámara de combustión 501 se diluye para entonces con aproximadamente 7,1 * 0,75 ≈ 5,4 unidades de gas inerte únicamente proporcionando el combustible de gas de tragante. Es decir, se necesita un extra de 8,1 – 5,4 = 2.7 unidades de gas inerte en forma de reciclaje de gas de combustión por unidad lanzada de O2 en la cámara de combustión 501. Esto significa que al menos aproximadamente 38 % de los gases de combustión deben ser recirculados con el fin de alcanzar una concentración máxima de O2 de 11 %.
El ejemplo correspondiente que llega a la concentración de O2 del 11% en la cámara de combustión utilizando efluente gaseoso de convertidor como combustible, requiriendo tal efluente gaseoso 0,33 unidades de volumen de O2 por unidad de volumen de efluente gaseoso y conteniendo sólo aproximadamente ⅓ por volumen de gases inertes, produce una mezcla requerida de al menos 7,1 unidades de volumen de gases de combustión por unidad de volumen lanzada de O2, o una recirculación de gas combustible de al menos aproximadamente 234 %.
De acuerdo con un realización preferida, todo el oxidante se mezcla previamente con los gases de combustión reciclados antes de entrar en la zona de combustión. Sin embargo, también se puede alimentar oxidante adicional a través de una o más lanzas a la cámara de combustión 501. En este caso, es la cantidad total de oxígeno alimentado por unidad de tiempo la que se debe utilizar como base para el cálculo de la cantidad de gases de combustión reciclados.
Además, como se puede deducir de las cifras dadas en la tabla 3, el calor suministrado por la combustión puede ser reducido en aproximadamente un 7 %, mientras que se mantiene sustancialmente el caudal másico de gas y la temperatura de la llama. Se ha encontrado que haciendo funcionar las estufas en una fábrica de hierro y acero integradas de acuerdo con este ejemplo, con combustible oxigenado sin llama y con captura del CO2 del gas combustible, es posible reducir las emisiones de la planta en aproximadamente un 20 %.
De acuerdo con una realización preferida, se reciclan suficientes gases de combustión para mantener o aumentar sustancialmente el flujo másico de gas por unidad de tiempo a través del material refractario.
De acuerdo con una realización preferida alternativa, se reciclan suficientes gases de combustión para mantener o aumentar sustancialmente el caudal de energía térmica a través del material refractario. Esto tiene en cuenta las diferentes capacidades de calor para varios componentes inertes en los gases de combustión. En este caso, se prefiere también que sean reciclados suficientes gases de combustión para que la temperatura de la llama se mantenga o disminuya sustancialmente.
Como también se muestra en la tabla 3, el contenido de CO2 de los gases combustibles descargados de la estufa 500 es mucho mayor, 43 % si se compara con el 23 % en el modo de funcionamiento convencional. Los costes por unidad de peso de CO2 capturado para técnicas de captura de carbono convencionales se reducen
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significativamente a medida que aumenta la concentración de CO2 desde niveles bajos hasta un nivel de aproximadamente entre 50 % y 60 %. Concentraciones que aumenten sobrepasando este límite proporcionarán ganancias más pequeñas. Como resultado de ello, se pueden reducir de manera significativa los costes para una etapa de captura de carbono para el tratamiento de los gases combustibles de estufa por unidad de peso de CO2 capturado cuando se utiliza un oxidante con alto contenido de oxígeno de acuerdo con la presente invención.
De acuerdo con una realización muy preferida, un quemador de aire convencional existente, que se utiliza para calentar previamente la estufa existente 500, es sustituido en una etapa inicial por una entrada de combustible 516 y una entrada para gases de combustión reciclados 513, y el combustible es quemado después con el oxidante que tiene alto contenido de oxígeno descrito anteriormente. Con este fin, se prefiere que el oxidante sea presentado premezclado con los gases de combustión reciclados. Alternativamente, se prefiere que tal premezcla sea combinada con una o varias lanzas como se ha descrito anteriormente.
La figura 6 ilustra una visión de conjunto de otra realización preferida de la presente invención, que muestra una estufa de alto horno 600 con una cámara de combustión 601, material refractario 602, un puerto 606, un conducto para gases de combustión reciclados 610, un dispositivo de reciclaje 611, un conducto de alimentación de combustible 616, un dispositivo de alimentación de combustible 617 y un entrada de combustible 618.
Se alimenta oxidante a través de un conducto de alimentación de oxidante 613 y de un dispositivo de alimentación de oxidante 614 a una lanza de oxidante dispuesta de modo que el orificio 615 de la lanza esté dispuesto adyacente a un orificio 612 para el suministro de gases de combustión reciclados, desde el dispositivo de reciclaje 611. Preferiblemente, la lanza de oxidante se extiende coaxialmente a la entrada de gas de combustión reciclado 612. En un modo que es similar a la función del orificio de lanza coaxial 416, como se describe en relación a la figura 4, tal disposición adyacente, especialmente cuando es coaxial, arrastrará de manera eficiente los gases de combustión reciclados en la zona de combustión por acción eyectora sobre la parte del oxidante a gran velocidad, creando más recirculación de gases de combustión en la cámara de combustión 601. Al mismo tiempo, no se necesita un dispositivo de propulsión individual en el dispositivo de reciclaje 611, ya que los gases de combustión reciclados serán propulsados por acción eyectora en el orificio 615.
La realización mostrada en la figura 6 se combina de manera ventajosa con otra lanza de oxidante, proporcionando oxidante adicional en un emplazamiento de la zona de combustión alejado del orificio 615, consiguiéndose así una combustión por etapas en la zona de combustión.
Como se ha indicado anteriormente, se prefiere además que la estufa 300, 400, 500, 600 esté conectada a una fase de captura de carbono correspondiente 350, 450, 550, 650, que puede ser convencional per se, separando el contenido de dióxido de carbono de los gases de combustión descargados de la estufa antes de que los gases de combustión sean liberados al medio ambiente.
Cuando una estufa de alto horno se acerca al final de su vida útil esperada, se prefiere aplicar una de las realizaciones aquí descritas, o una combinación de varias de ellas, a la estufa.
De ese modo, la vida útil de la estufa puede ser prolongada, haciendo que funcione con temperaturas de llama más bajas, con tasas de producción continuas en lo que se refiere a un chorro de aire, con mejor economía de combustible y menos emisiones.
Por tanto, un método de acuerdo con la presente invención permitirá a una estufa de alto horno funcionar solamente con un combustible de bajo poder calorífico tal como gas de tragante del alto horno, sin que se necesite un enriquecimiento con combustible de alto poder calorífico y sin riesgo de daños a la estufa inducidos por la temperatura, mientras se producen gases combustibles que son más adecuados para la captura de carbono. Además, permite que se prolongue la vida útil de una estufa.
Si se utiliza un reciclado suficiente de gases de combustión, también es posible lograr la misma cantidad y calidad de chorro de aire en una estufa existente que se convierte, de acuerdo con lo que se ha descrito anteriormente, para funcionar con un oxidante con alto contenido de oxígeno, y cuya estufa está provista de la disposición de reciclado de gases de combustión que describe en relación a la figura 5 o 6.
Anteriormente se han descrito realizaciones preferidas. Sin embargo, es evidente para el experto en la materia que se pueden hacer muchas modificaciones a las realizaciones descritas sin apartarse de la idea de la presente invención.
Por ejemplo, cualquiera de los métodos para crear recirculación de gases de combustión, como se describe en relación a las figuras 4 a 6, se puede complementar de manera ventajosa con una o varias de las distintas lanzas de oxidante, como se describe en relación a la figura 3.
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