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ES2581234T3 - Quemador con bajas emisiones de NOx - Google Patents

Quemador con bajas emisiones de NOx Download PDF

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ES2581234T3
ES2581234T3 ES09739416.7T ES09739416T ES2581234T3 ES 2581234 T3 ES2581234 T3 ES 2581234T3 ES 09739416 T ES09739416 T ES 09739416T ES 2581234 T3 ES2581234 T3 ES 2581234T3
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ES
Spain
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air
fuel gas
centrifuge
combustion
oven
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ES09739416.7T
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English (en)
Inventor
Vladimir Lifshits
Stephen B. Londerville
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John Zink Co LLC
Original Assignee
Coen Co LLC
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Publication date
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Abstract

Horno con bajas emisiones de NOx (2) que comprende: - una pared (4) y una cámara de combustión (8) en el interior de la pared (4), - un quemador con bajas emisiones de NOx (10) adaptado para emplear recirculación de gas de horno en el interior de la cámara de combustión (8) del horno (2), comprendiendo el quemador (10): - un tubo alargado (24) para la conexión a un suministro de aire de combustión (90), - un centrifugador de aire de combustión (36) que define un eje del quemador (10), - una pluralidad de primeras espitas de gas combustible (40) que tienen orificios de descarga de gas combustible (46), en el que, - el tubo (24) está instalado en la pared (4) y se extiende una distancia sustancial desde la pared (4) hacia el interior de la cámara de combustión (8), - una pluralidad de orificios de aire alargados (50) para la conexión al suministro de aire de combustión (90) y que se extienden desde la pared (4) hacia el interior de la cámara de combustión (8), aguas abajo de los extremos de descarga de los orificios de aire (50) que están separados de la pared de horno (4) y el centrifugador (36), - los orificios de descarga de gas combustible (46) de las primeras espitas de gas combustible (40) están en las proximidades de un extremo aguas abajo del centrifugador (36), - un segunda espita de gas combustible (66) dispuesta entre cada par adyacente de orificios de aire (50), está conectada a una fuente de gas combustible (12) y tiene orificios de descarga de combustible (68) aguas abajo de la pared de horno (4) y aguas arriba de los extremos de descarga, caracterizado porque: - el centrifugador de aire de combustión (36) está conectado al tubo (24) de modo que un extremo aguas abajo del centrifugador (36) está en el interior de la cámara de combustión (8) y lejos de la pared de horno (4), - dicha segunda espita de gas combustible (66) está dispuesta en relación con el eje próxima a las partes radialmente más externas de los orificios de aire (50).

Description

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DESCRIPCION
Quemador con bajas emisiones de NOx Antecedentes de la invencion
La presente invencion se refiere a quemadores con bajas emisiones de NOx que son compactos, eficaces a la hora de funcionar y emplean recirculacion de gas de horno dentro de la camara de combustion del horno para reducir las emisiones de NOx.
Las emisiones de horno son motivo de gran preocupacion puesto que contribuyen de manera significativa a la contaminacion atmosferica. Una gran fuente de emisiones de NOx la constituyen los quemadores tal como se usan en hornos grandes y pequenos, incluyendo, por ejemplo, hornos muy grandes usados para generar potencia electrica con turbinas que funcionan con vapor. Se conoce bien que las emisiones de NOx se reducen haciendo descender la temperatura de la llama generada por el quemador en el interior del horno. De manera convencional, esto se ha logrado suministrando al quemador aire en exceso con respecto al que se requerina para quemar de manera estequiometrica el combustible, puesto que el combustible debe calentar el aire adicional, lo que hace descender la temperatura global de la llama y los gases de horno generados por el mismo.
Otro enfoque para hacer descender las emisiones de NOx es mezclar el aire de combustion para el quemador con gas de chimenea que va hacia el tubo de escape. Esta tecnica se llama recirculacion de gas de chimenea (FGR). El gas de chimenea normalmente tiene una temperatura en el intervalo de entre aproximadamente 93°C (200°F) a 204°C (400°F). El gas de chimenea recirculado hace descender las temperaturas de llama y la generacion de NOx, pero en cantidades excesivas provoca inestabilidad de llama y explosion.
Ambas aproximaciones pueden usarse de manera individual o en combinacion. Sin embargo, las cantidades grandes de FGR que podnan necesitarse para reducir el NOx aumentan sustancialmente el volumen de gas global que debe transportarse a traves del quemador y la seccion de conveccion del horno. Esto requiere a su vez sopladores y conductos mas grandes, incluyendo la caja de viento comun en el exterior de la pared frontal de un quemador, para manejar la masa combinada aumentada de aire y FGR con una temperatura elevada que debe transportarse a traves del sistema. Esto aumenta los costes de instalacion iniciales asf como los costes de mantenimiento y funcionamiento posteriores debido a los requisitos de energfa aumentados del soplador, todo lo cual no se desea.
El documento US 2005/0271990 A1 que da a conocer un horno segun el preambulo segun la reivindicacion 1, da a conocer un conjunto de quemador que produce emisiones de NOx muy bajas. Pueden reducirse las grandes cantidades de FGR que debe recircularse mediante la recirculacion de gases de horno internamente de la camara de combustion. Esto ha funcionado bien en la reduccion de emisiones de NOx y tiene la ventaja de que reduce o elimina la energfa adicional para hacer funcionar un soplador mas grande para manejar aire de combustion y/o gas de chimenea recirculado adicionales. La parte principal del quemador es un tubo cilmdrico macizo que se extiende desde la pared del horno. El centrifugador esta montado en el extremo de descarga de este tubo. La parte del tubo proxima a la pared del horno incluye aberturas a traves de las cuales se conducen aerodinamicamente gases de horno por aire y chorros de gases de combustible en el interior del tubo donde los gases de horno se mezclan con aire de combustion y el combustible antes del encendido de la mezcla. Sin embargo, este quemador es propenso a sobrecalentarse y danar el tubo si el combustible comienza a quemarse en los lfmites del tubo. Pueden darse condiciones para el combustible que se quema en el interior del tubo cuando la mezcla entrante global de aire, gas de chimenea y gas combustible esta insuficientemente diluida con gases inertes como FGR. Apartar los regfmenes de funcionamiento del quemador de la llama que se quema en el interior tambien requiere el desplazamiento adicional hacia el extremo de descarga del tubo lo que habitualmente no es optimo para conseguir emisiones de NOx mas bajas.
El documento US 5.460.512 describe un horno con bajas emisiones de NOx segun el preambulo segun la reivindicacion 1.
El documento US 6.685.462 B2 da a conocer un aparato para quemar combustible con baja formacion de NOx. Se proporciona un alojamiento de quemador, unido a un horno, que tiene medios para mezclar una primera parte del gas combustible con una primera parte del aire para formar una mezcla primaria de gas combustible-aire primaria y para descargar la mezcla primaria de gas combustible-aire hacia el interior de una zona de quemado primaria en el horno desde al menos una ubicacion de descarga rodeada por una pared que se extiende hacia el interior del horno. Los lados exteriores de la parte de pared del alojamiento estan inclinados hacia la zona central de la parte base.
Breve sumario de la invencion
La presente invencion mejora adicionalmente el quemador con bajas emisiones de NOx descrito anteriormente porque elimina la necesidad de que un tubo que encierre al quemador y simplifica la construccion y el funcionamiento del quemador tal como se describe a continuacion.
Un quemador con bajas emisiones de NOx construido segun la presente invencion se instala en un horno que tiene
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una pared de horno que encierra la camara de combustion del horno. El quemador se instala en una pared del horno y se extiende a traves de una abertura en la misma hacia el interior de la camara de combustion, donde genera una llama.
El propio quemador tiene un centrifugador de aire de combustion que esta completamente dispuesto en la camara de combustion, y su extremo aguas abajo esta separado una distancia sustancial de la pared de horno, tal como se describe adicionalmente a continuacion. Un tubo de aire de combustion se extiende hacia el interior de la camara de combustion, soporta el centrifugador y hace fluir aire de combustion desde una fuente de aire de combustion al exterior del horno a traves del centrifugador hacia el interior de la camara de combustion.
Pueden usarse una pluralidad de orificios de aire, preferiblemente seis, pero pueden ser mas o menos, que se extienden desde la pared de horno hacia el interior de la camara de combustion. Estan separados de manera circunferencialmente equidistante unos de otros para definir espacios entre ellos y para suministrar normalmente una parte importante del aire de combustion requerido solo o, cuando sea necesario, mezclado con FGR. Sus extremos de descarga estan dispuestos en el interior de la camara de combustion, aguas arriba del centrifugador, y estan separados del centrifugador y la pared de horno.
Placas adecuadas entre orificios de aire adyacentes bloquean que el aire de combustion fluya desde la fuente de aire de combustion hacia el interior del horno excepto a traves de los orificios y la tubena en el centro del quemador.
Un primer conjunto de espitas de combustible alargados, preferiblemente un numero de espitas de combustible que se corresponde con el numero de orificios de aire, se extiende desde la fuente de combustible mas alla de la pared de horno hacia el interior de la camara de combustion. Sus orificios de descarga de gas combustible estan separados en los extremos de las espitas de la pared de horno al menos tanto como el extremo aguas abajo del centrifugador de modo que se descarga gas combustible hacia el interior de la camara de combustion, donde el gas combustible se mezcla con aire de combustion del centrifugador.
Al menos una segunda espita de combustible esta ubicada en cada espacio de cavidad entre orificios de aire adyacentes, y se extiende desde la fuente de combustible mas alla de la pared de horno hacia el interior de la camara de combustion. Cada segunda espita de gas combustible esta separada radialmente del eje del quemador de modo que esta ubicada proximo a una parte radialmente mas externa de los orificios adyacentes. Cada segunda espita de combustible tiene un extremo aguas abajo que incluye uno o mas orificios de descarga de combustible dispuestos en el interior de la camara de combustion y en el interior de las cavidades, aguas abajo de la pared de horno y aguas arriba de los extremos de descarga de los orificios de aire.
Las fuerzas aerodinamicas creadas por los segundos chorros de combustible y el flujo de aire que se descarga a traves de los orificios de aire provocan una circulacion de productos de combustion (a continuacion en el presente documento tambien denominados “gas de horno”) desde la llama en la camara de combustion de vuelta a la pared frontal del horno. Durante esta circulacion, los productos de combustion se enfnan parcialmente debido a la transferencia de calor a las paredes del tubo de agua del horno. Como resultado, el gas combustible que se propaga desde las segundas espitas a traves del espacio entre los orificios de aire se mezcla primero con gas de horno de temperatura reducida esencialmente inerte. Esta mezcla no combustible se mezcla adicionalmente con aire de combustion de los extremos de descarga de los orificios de aire aguas arriba del centrifugador para el encendido posterior de la mezcla mediante la llama en la camara de combustion en el lado aguas abajo del centrifugador.
El quemador esta asociado ademas preferiblemente con una valvula o regulador de gas combustible que se acopla de manera operativa con la fuente de gas combustible y se fija para dirigir relativamente mas gas combustible a traves de las segundas espitas de gas combustible que a traves de las primeras espitas de gas combustible.
Segun una realizacion preferida actualmente de la invencion, el quemador incluye un tercer conjunto de espitas de gas combustible con boquillas que estan dispuestas en el interior de los respectivos orificios de aire. Las terceras boquillas de gas combustible estan situadas a lo largo de las lmeas centrales de los orificios de aire (normalmente estan dispuestas multiples boquillas en cada orificio de aire, por ejemplo, a lo largo de la lmea central radial del orificio de aire). El tamano y la ubicacion de las boquillas se escogen para crear una distribucion de combustible aproximadamente uniforme con la corriente de aire. La totalidad de las terceras boquillas inyectan el combustible en la misma direccion que las corrientes de aires circundantes.
Las cavidades mencionadas anteriormente entre orificios de aire adyacentes estan abiertas circunferencialmente en el interior de la camara de combustion, y ni el tubo de aire ni el centrifugador estan encerrados en el interior de un tubo o conducto de modo que estan en la recirculacion de gas de horno. Esto quiere decir que los gases de horno que recirculan en el interior de la camara de combustion pueden entrar en las cavidades entre orificios de aire adyacentes, donde se mezclan con gas combustible para formar una mezcla no combustible de gas combustible/gas de horno que fluye en una direccion aguas abajo hacia el centrifugador. Aguas abajo del orificio de aire, esta mezcla se mezcla adicionalmente con aire de combustion de los orificios de aire y forma una mezcla de gas combustible/aire de combustion/gas de horno que puede encenderse mediante la llama existente aguas abajo del centrifugador.
Para aplicaciones espedficas puede desearse, o necesitarse, una mezcla de aire de combustion y FGR para abastecer a la caja de viento. Esta alternativa se limita preferiblemente a aplicaciones donde deben obtenerse
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emisiones de NOx particularmente bajas, por debajo de las que pueden lograrse solo con recirculacion de gas de horno, puesto que requiere sopladores, canalizaciones, cajas de viento, etc. mayores y por tanto mas costosos.
En el funcionamiento que sigue al encendido inicial del quemador, la llama generada por el quemador queda anclada en el extremo aguas abajo del centrifugador, relativamente lejos de la pared frontal del horno donde esta montado el quemador. Dado que el quemador no esta encerrado en el interior de un tubo o elemento tubular y que los principales orificios de descarga de aire estan ubicados relativamente cerca de la pared frontal del horno, aunque el centrifugador esta relativamente lejos de la pared y muy en el interior de la camara de combustion, las velocidades de flujo del gas combustible, el aire de combustion y su mezcla han disminuido significativamente para cuando alcanzan el centrifugador. Esto evita el problema encontrado con los quemadores tfpicos de la tecnica anterior que estan ubicados en el interior y proximos a los extremos de conductos tubulares circundantes donde las velocidades de la mezcla de gas combustible y aire de combustion mas altas pueden conducir a inestabilidades de llama y extinciones de la llama relativamente tempranas cuando se intentan conseguir las emisiones de NOx mas bajas. Con el quemador de la presente invencion, el aire y los gases descargados no estan restringidos a secciones transversales limitadas y, por tanto, se desaceleran relativamente rapido, lo que ayuda en la estabilizacion de la llama en el centrifugador. Por tanto, la presente invencion hace descender la velocidad de flujo de los gases que circundan el centrifugador, aumenta la estabilidad de llama y hace descender significativamente la posibilidad de extinciones de la llama, mientras que se consiguen emisiones de NOx inferiores con un quemador que es menos costoso de construir, instalar, mantener y hacer funcionar que los quemadores de la tecnica anterior comparables.
Ademas, situando todas las espitas de gas combustible en el interior de la extension radialmente mas externa de los orificios de aire y eliminando una garganta de quemador formada tradicionalmente por la pared de horno, la cobertura radial del quemador (en relacion con la pared de horno) se reduce de modo que ocupa menos espacio en la pared frontal del quemador y en el interior de la camara de horno. Esta caractenstica es particularmente ventajosa para readaptar hornos existentes con quemadores con bajas emisiones de NOx donde el tamano de la abertura disponible para el quemador esta limitado por los tubos de agua de pared frontal (puesto que los quemadores con bajas emisiones de NOx disponibles actualmente normalmente son significativamente mas grandes que los quemadores convencionales debido a su necesidad de tasas mas altas de FGR y caractensticas adicionales necesarias para hacer descender el NOx).
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una vista en seccion transversal en alzado lateral esquematica de un quemador con bajas emisiones de NOx realizado segun la presente invencion, instalado sobre una pared de horno y tomado en la lmea I-I de la figura 2.
La figura 2 es una vista en alzado frontal del quemador mostrado en la figura 1.
La figura 3 es un diagrama esquematico que ilustra la recirculacion de gases de horno en el interior de la camara de combustion del horno segun la presente invencion.
Descripcion detallada de la invencion
Con referencia a los dibujos, un horno 2 tiene una pared frontal 4 con una abertura 6 que proporciona acceso al interior de una camara de combustion 8 en el interior del horno. Un quemador con bajas emisiones de NOx 10 construido segun la presente invencion se extiende a traves de la abertura 6 hacia el interior de la camara de combustion de horno 2, donde forma una llama 84 para generar calor. Por ejemplo, el horno puede ser una caldera que genera vapor.
Un suministro de gas combustible 12 y un suministro de aire de combustion 90 estan acoplados de manera adecuada a la caja de viento 14 unida a la pared frontal 4 del horno. El quemador dirige el combustible y el aire de combustion hacia el interior de la camara de combustion, donde se mezclan, se encienden y se queman, liberando de ese modo energfa termica y generando gases de horno a alta temperatura que se descargan normalmente hacia el interior de una seccion de conveccion 16 del horno donde la temperatura se reduce, normalmente hasta un intervalo de entre aproximadamente 93-204°C (200-400°F). El gas de chimenea enfriado se descarga a la atmosfera a traves de un tubo de escape 20. Como se explicara en detalle mas adelante, una parte del gas de chimenea enfriado se recircula a veces hacia el interior de la camara de combustion por medio de un sistema de recirculacion de gas de chimenea 18.
Haciendo referencia ahora espedficamente a las figuras 1 y 2, el quemador 10 tiene un eje de quemador alargado 22 que tambien es el eje de un tubo de aire de combustion 24 que esta soportado mediante un soporte de tubo 26 adecuado sobre una placa 28. Un extremo aguas arriba o trasero 30 del tubo esta abierto, extendiendose hacia el interior de la caja de viento 14, y tiene un amortiguador 32 que puede usarse para ajustar el flujo de aire de combustion hacia el interior del tubo, tal como conocen bien los expertos habituales en la tecnica.
En su extremo aguas abajo 34, el tubo de quemador soporta un centrifugador de aire de combustion 36 que tiene un extremo aguas abajo con las palas del centrifugador 38. El tubo de aire de combustion es suficientemente largo de modo que el extremo aguas abajo del centrifugador esta ubicado a una distancia sustancial de la pared frontal 4 del
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horno. En una realizacion de la invencion, el tubo de quemador tiene un diametro de aproximadamente 16,5 cm (6,5 pulgadas) y el extremo aguas abajo del centrifugador esta separado de la pared de horno aproximadamente 112 cm (44 pulgadas), de modo que el extremo aguas abajo del centrifugador esta separado de la pared de horno ligeramente menos de seis veces el diametro del tubo. Para la mayona de las aplicaciones, la distancia entre la pared frontal del horno y el extremo aguas abajo del centrifugador estara en el intervalo de entre aproximadamente cuatro a ocho veces el diametro del tubo de aire de combustion 24, aunque para finalidades e instalaciones particulares y configuraciones de horno este intervalo puede ser mayor o menor.
En la realizacion ilustrada, una pluralidad de seis espitas de gas combustible centrales 40 estan separadas de manera circunferencialmente equidistante alrededor de la periferia del centrifugador 36, se mantienen en su sitio en el centrifugador mediante apoyos de espita 42 adecuados, y sus extremos aguas abajo 44 estan separados de la pared de horno 4 al menos tanto como el extremo aguas abajo 38 del centrifugador y, preferiblemente, se extienden ligeramente mas alla del centrifugador, tal como se ilustra en la figura 1. Los extremos aguas abajo de las espitas centrales tienen orificios 46 desde los cuales se descarga gas combustible en el flujo de aire en remolino que pasa a traves del centrifugador. Un extremo aguas arriba 48 de cada espita central esta acoplado de manera fluida a la fuente de gas combustible 12, mostrada en la figura 1 como un tubo o colector de suministro de gas combustible circular 12a.
En la realizacion ilustrada, una pluralidad de seis orificios de aire de combustion 50 formados mediante conductos alargados estan separados de manera circunferencialmente equidistante alrededor del tubo de aire de combustion 24, como puede observarse de la mejor manera en la figura 2. Cada orificio de aire esta formado por paredes radialmente internas y externas 54, 56 y paredes laterales 52. La seccion transversal de los orificios de aire presenta una seccion decreciente en una direccion aguas abajo por las paredes laterales 52 de modo que un extremo aguas arriba 58 del orificio de aire tiene una mayor seccion transversal que un extremo de descarga aguas abajo 60 del mismo. El extremo de descarga presenta a su vez una seccion decreciente (como puede verse de la mejor manera en la figura 1) de modo que la pared mas externa 56 del orificio de aire se extiende mas hacia el interior de la camara de combustion 8 que la pared mas interna 54 de la misma. Esta seccion decreciente induce una desviacion en el aire de combustion que hace fluir a traves de los orificios de aire que dirige el flujo de aire hacia el centrifugador 36 para su encendido mediante la llama en el lado aguas abajo del centrifugador.
Para construcciones de quemador tfpicas segun la presente invencion, la separacion entre la pared frontal 4 del horno y el extremo de descarga 60 de los orificios de aire 50 esta en el intervalo de entre aproximadamente un cuarto y la mitad de la distancia entre la pared de horno y el extremo aguas abajo 38 de centrifugador 36. En una realizacion particularmente preferida de la invencion, el extremo de descarga del orificio de aire esta separado 16 pulgadas de la pared de horno, mientras que el extremo aguas abajo del centrifugador esta separado 112 cm (44 pulgadas). Sin embargo, estos intervalos pueden superarse por arriba o por abajo si se desea para una instalacion dada.
Entre cada par adyacente de orificios de aire hay una separacion abierta radialmente hacia fuera que esta cerrada en una direccion aguas arriba mediante la placa de quemador 28 y el aislamiento termico 62. Los espacios entre orificios de aire adyacentes forman cavidades 64 que estan cerradas en una direccion trasera y tambien sustancialmente en una direccion radialmente hacia dentro y que estan abiertas en las direcciones aguas abajo y radialmente hacia fuera, como puede observarse en la figura 1. Como resultado, no fluye aire de combustion de manera eficaz desde la caja de viento 14 hacia el interior a traves de las cavidades.
Las espitas centrales 40 se extienden a traves de la placa de quemador 28 hacia el interior y mas alla de las cavidades 64 hacia el centrifugador en la camara de combustion. Un conjunto adicional de segundas espitas de gas combustible 66 esta dispuesto cerca de la parte radialmente mas externa de cavidades 64 que esta proxima a paredes exteriores 56 de los orificios de aire 50. Los extremos aguas abajo de las segundas espitas tienen orificios 68. Los extremos aguas abajo de las segundas espitas 66 con orificios 68 estan ubicados en la camara de combustion justo aguas abajo de la pared de horno 4 y aguas arriba de los extremos de descarga 60 de los orificios de aire 50 en las cavidades 64. Los extremos aguas arriba 70 de las espitas 66 estan conectados de manera fluida a la fuente de combustible 12 en forma de un segundo colector circular de gas combustible 12b. El gas combustible que sale a traves de los orificios 68 fluye hacia el interior de las cavidades 64.
Un tercer conjunto de espitas de combustible 72 esta dispuesto preferiblemente en el interior de cada orificio de aire 50 e incluye un tubo de boquilla alargado 74 que se extiende transversalmente con respecto a la direccion de flujo, preferiblemente a lo largo de la lmea central del orificio de aire, a traves del orificio de aire y tiene orificios de descarga de gas combustible 76. Un extremo aguas arriba 78 del tercer conjunto de espitas 72 esta conectado de manera fluida al suministro de gas combustible 12 en forma de un tercer colector de gas combustible circular 12c. Cada espita 72 normalmente tiene multiples orificios de descarga 78 que estan situados a lo largo de las lmeas centrales del orificio de aire. El tamano y la ubicacion de las boquillas se escogen para crear una distribucion de combustible aproximadamente uniforme en la corriente de aire. Los orificios 76 tienen lmeas centrales que se orientan en la direccion del eje 22 tal como se muestra en la figura 1.
Durante el uso, el aire de combustion fluye desde la caja de viento 14 a traves de los orificios de aire 50 mas alla de los extremos de descarga 60 de los mismos en una direccion aguas abajo tal como se describio anteriormente. Los
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tubos de boquilla de descarga de gas 74 en los orificios de aire presentan una resistencia perjudicial al flujo de aire de combustion que es proporcional a la segunda potencia de velocidad de aire alrededor de los tubos de boquilla 74. Para minimizar esta resistencia, los tubos 74 estan situados en el interior de los orificios 64 en una ubicacion donde la seccion transversal de los orificios de aire (en el plano perpendicular al eje 22) es sustancialmente mayor que la seccion transversal del orificio de aire en el extremo de descarga 60 de modo que la velocidad del flujo de aire mas alla de los tubos de boquilla 74 es sustancialmente menor que su velocidad en el extremo de descarga.
Un piloto 80 mostrado en la figura 1 esta ubicado de manera apropiada en el interior de al menos uno de los orificios de aire 50 y se activa para encender inicialmente una primera parte de una mezcla de aire de combustion-gas combustible formada aguas abajo del tubo de boquilla de gas combustible 74. La llama originada por el piloto se extiende adicionalmente mas alla del extremo de descarga de centrifugador 38, donde enciende el resto del combustible abastecido al quemador.
Un regulador de flujo de gas combustible 82 recibe gas combustible desde la fuente 12, dirige cantidades controladas del gas combustible a los colectores de gas combustible 12a-c y controla la cantidad de gas combustible abastecido a cada uno de los colectores. Para funcionamientos tfpicos normales del gas de horno, el regulador de gas combustible abastece entre aproximadamente el 5 y el 20% de los requisitos totales de gas combustible a las espitas centrales 40, entre aproximadamente el 30 y el 70% de los requisitos totales de gas a las espitas externas 66, y entre aproximadamente el 10 y el 40% de los requisitos de gas combustible a las espitas de gas combustible 72 en el interior de los orificios de aire 50.
Para la puesta en marcha del horno, el quemador 10 se activa inicialmente inyectando aire desde la caja de viento 14 hacia el interior de y a traves de la camara de combustion 8 del horno para purgar la camara de combustion de cualquier residuo de combustible que pueda estar presente. Para encender el quemador, se inicia un flujo de aire de combustion reducido a traves del tubo de aire 24 y los orificios de aire 50 hacia el interior de la camara de combustion. La luz de piloto 80 se enciende en al menos un orificio de aire 50 para generar una llama que se extiende hacia delante hacia el centrifugador 36, y se abre el regulador de flujo de gas combustible 82 para hacer fluir gas combustible mas alla de los orificios en los extremos aguas abajo de las espitas internas 40, las espitas externas 66 y las espitas 72 en el interior de los orificios de aire 50. Por tanto, la llama de piloto y el gas combustible encendido se extienden mas alla del extremo aguas abajo 38 de centrifugador 36, lo que provoca el encendido del gas combustible emitido por todas las espitas de gas combustible del quemador.
Una vez que se enciende una llama aguas abajo del centrifugador 36, el piloto 80 se apaga. La llama que se extiende desde el interior de los orificios de aire 50 al centrifugador se extingue debido a la falta de estabilidad de llama en el interior de los orificios de aire sin la presencia de una llama de piloto suficientemente fuerte. El funcionamiento del quemador continua con una llama 84 formada en el interior de la camara de combustion 8 y aguas abajo de centrifugador 36, alimentada por combustible de las espitas del quemador y aire de combustion descargado en el interior de la camara de combustion por medio del centrifugador 36 y orificios de aire 50.
El impulso de aire y chorros de combustible que salen de los extremos de descarga de los orificios 50 y el impulso de chorros de gas combustible desde los orificios 68 en las cavidades 64 provocan una recirculacion 86 de gases de horno desde partes internas de la camara de combustion (aguas abajo de centrifugador 36) hacia la pared frontal 4 del horno, tal como se ilustra en la figura 3. Los gases de horno de recirculacion normalmente se enfnan parcialmente desde la temperatura de llama inicial mediante transferencia de calor a las paredes de horno cubiertas con tubos 88 dispuestos normalmente en el interior el horno, por ejemplo a lo largo de las paredes del mismo. Algo del gas de chimenea de recirculacion se introduce en las cavidades 64 entre pares adyacentes de orificios de aire 50 donde se arrastra gas combustible desde las espitas externas 66 en el gas de horno. Aguas debajo de los extremos de descarga 60 del orificio de aire, esta mezcla de gas combustible/gas de horno se mezcla con aire de combustion de los orificios de aire 50, que normalmente incluye gas combustible de los tubos de boquilla 74 del tercer conjunto de espitas 72. La mezcla de gas de horno/aire de combustion/combustible fluye hacia el centrifugador 36 tal como se describio anteriormente, y aguas abajo del centrifugador 36 se enciende la mezcla mediante la llama 84 estabilizada mediante la accion del centrifugador 38.
El arrastre de gas de horno de recirculacion hacia la mezcla de gas combustible/aire de combustion da como resultado una temperatura reducida de la llama 84, que a la vez reduce la generacion y emision de NOx. Esto se obtiene de manera ventajosa sin un aumento en el flujo hacia el interior de y a traves de la seccion de conveccion de horno 16 y sin necesidad de un soplador 92 mas grande y de tamanos de conducto que se requerinan si la temperatura de llama se reduce, por ejemplo, aumentando el flujo de recirculacion de gas de chimenea 18.
Ademas, cuando el gas de horno de recirculacion alcanza de nuevo la parte frontal de la caldera, tiene normalmente una temperatura de aproximadamente 538 a 1093°C (de 1000 a 2000°F). Cuando este gas se mezcla con flujos procedentes de orificios de aire 60, aumenta la temperatura global de la mezcla resultante antes de su encendido hasta aproximadamente de 316 a 427°C (de 600 a 800°F). Esto aumenta sustancialmente la relacion entre las temperaturas de gas antes y despues del encendido (para una llama con emisiones muy bajas de NOx, su temperatura es de aproximadamente 1371°C (2500°F)). Como resultado, el proceso de combustion se inicia y mantiene de manera mas facil. Esto estabiliza la llama y constituye un beneficio significativo obtenido con la presente invencion.
Si es necesario reducir las emisiones de NOx hasta por debajo de lo que es factible mediante gas de horno de recirculacion en el interior de la camara de combustion, se anade algo del gas de chimenea al aire de combustion por medio de un sistema de recirculacion de gas de chimenea 18. El gas de chimenea recirculado hace descender el suministro de oxfgeno disponible en la mezcla de gas combustible/aire de combustion/gas de horno recirculado, lo 5 que conduce a una reduccion adicional de temperaturas de llama y con ello del contenido de NOx del gas de horno antes de que se descargue al entorno mediante tratamiento de gas de chimenea 16 y el tubo de escape 20.
El dispositivo descrito permite conseguir emisiones de NOx mmimas inferiores con una llama estable que otros dispositivos conocidos que ocupanan el mismo espacio global sobre la pared frontal del horno, y es en general mas eficiente energeticamente para abastecer niveles comparables de las emisiones de NOx.
10

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Horno con bajas emisiones de NOx (2) que comprende:
    - una pared (4) y una camara de combustion (8) en el interior de la pared (4),
    - un quemador con bajas emisiones de NOx (10) adaptado para emplear recirculacion de gas de horno en
    5 el interior de la camara de combustion (8) del horno (2), comprendiendo el quemador (10):
    - un tubo alargado (24) para la conexion a un suministro de aire de combustion (90),
    - un centrifugador de aire de combustion (36) que define un eje del quemador (10),
    - una pluralidad de primeras espitas de gas combustible (40) que tienen orificios de descarga de gas combustible (46),
    10 en el que,
    - el tubo (24) esta instalado en la pared (4) y se extiende una distancia sustancial desde la pared (4) hacia el interior de la camara de combustion (8),
    - una pluralidad de orificios de aire alargados (50) para la conexion al suministro de aire de combustion (90)
    y que se extienden desde la pared (4) hacia el interior de la camara de combustion (8), aguas abajo de los
    15 extremos de descarga de los orificios de aire (50) que estan separados de la pared de horno (4) y el
    centrifugador (36),
    - los orificios de descarga de gas combustible (46) de las primeras espitas de gas combustible (40) estan en las proximidades de un extremo aguas abajo del centrifugador (36),
    - un segunda espita de gas combustible (66) dispuesta entre cada par adyacente de orificios de aire (50),
    20 esta conectada a una fuente de gas combustible (12) y tiene orificios de descarga de combustible (68)
    aguas abajo de la pared de horno (4) y aguas arriba de los extremos de descarga,
    caracterizado porque:
    - el centrifugador de aire de combustion (36) esta conectado al tubo (24) de modo que un extremo aguas abajo del centrifugador (36) esta en el interior de la camara de combustion (8) y lejos de la pared de horno
    25 (4),
    - dicha segunda espita de gas combustible (66) esta dispuesta en relacion con el eje proxima a las partes radialmente mas externas de los orificios de aire (50).
  2. 2. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 1, que incluye una tercera espita de combustible (72) dispuesta en el interior de cada orificio de aire (50) y que tiene un orificio de descarga de
    30 gas combustible (76) ubicado aguas arriba del extremo de descarga para inyectar gas combustible en aire
    de combustion que fluye a traves del orificio de aire (50).
  3. 3. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 1, en el que cada orificio de aire (50) forma un conducto alargado que tiene una seccion transversal que es la mas grande en un extremo aguas arriba del conducto y la mas pequena en un extremo aguas abajo del mismo de modo que, tras hacer fluir aire de
    35 combustion a traves del conducto, la velocidad de aire de combustion es la mayor en el extremo de
    descarga del conducto.
  4. 4. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 3, que incluye una tercera espita de gas combustible (72) dispuesta en cada conducto, y en el que la tercera espita de gas combustible (72) esta colocada en el interior del conducto en una ubicacion aguas arriba del extremo de descarga del conducto
    40 donde la velocidad del aire de combustion mas alla de las terceras espitas de gas combustible (72) es
    inferior a la velocidad del aire de combustion en el extremo de descarga del conducto.
  5. 5. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 3, en el que el extremo de descarga del conducto esta conformado de modo que una parte radialmente mas externa del conducto se extiende mas hacia el interior de la camara de combustion (8) que una parte radialmente mas interna del conducto para
    45 desviar el flujo de aire de combustion descargado del orificio de aire (50) hacia el centrifugador (36).
  6. 6. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 1, en el que los extremos de descarga de los
    orificios de aire (50) se extienden entre aproximadamente el 25% y el 50% de la distancia entre la pared de horno (4) y un extremo aguas abajo del centrifugador (36).
  7. 7. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 1, en el que el extremo aguas abajo del
    50 centrifugador (36) esta ubicado en el interior de la camara de combustion (8) a una distancia sustancial de
    5
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    15
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    25
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    45
    50
    la pared de horno (4),
    al menos seis orificios de aire (50) separados, alargados dispuestos sustancialmente equidistantes alrededor del tubo (24) para hacer fluir aire de combustion hacia el interior de la camara de combustion (8), teniendo cada orificio de aire (50) un extremo de descarga aguas abajo que esta separado una distancia intermedia de la pared de horno (4) que es menor que la distancia sustancial,
    un elemento de pared dispuesto en cavidades (64) proximas a los extremos aguas arriba de las mismas para impedir que el aire de combustion fluya entre orificios de aire adyacentes (50),
    la primera pluralidad de espitas de descarga de gas combustible (40) dispuestas alrededor de una periferia del centrifugador (36) y los orificios de descarga (46) se extienden al menos la distancia sustancial hacia el interior de la camara de combustion (8), y
    la segunda espita de descarga de gas combustible (66) tiene un orificio de descarga de gas combustible (68) para hacer fluir gas combustible hacia el interior de la camara de combustion (8) que esta separada de la pared de horno (4) una distancia que es menor que la distancia intermedia.
    Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 1 o 7, en el que el quemador con bajas emisiones de NOx (10) con un eje longitudinal adaptado para generar una llama (84) en la camara de combustion (8) para generar gases de horno en la camara (8) que se descargan como gases de chimenea tras un tratamiento de los gases de horno,
    una fuente de aire de combustion y una fuente de gas combustible (12) para generar la llama (84),
    un conducto de aire de combustion para hacer fluir aire de combustion desde la fuente a traves del centrifugador (36) hacia el interior de la camara de combustion (8),
    la pluralidad de orificios de aire (50) se extienden separados de manera circunferencialmente equidistante unos de otros para definir cavidades (64), estando los extremos de descarga de los orificios de aire (50) aguas arriba del centrifugador (36),
    placas entre pares adyacentes de orificios de aire (50) que impiden que el aire de combustion fluya desde la fuente de aire de combustion a traves de las cavidades (64),
    el primer conjunto de espitas de combustible alargadas (40) que se extienden desde la fuente de combustible (12) mas alla la pared de horno (4) se abren hacia el interior de la camara de combustion (8) y los orificios de descarga de gas combustible (46) estan separados de la pared de horno (4) al menos tanto como el extremo aguas abajo del centrifugador (36) para descargar gas combustible hacia el interior de la camara de combustion (8) y mezclar el gas combustible con aire de combustion del centrifugador (36),
    el orificio de descarga de gas combustible (68) de cada segunda espita de gas combustible (66) esta dispuesto en el interior de la camara de combustion (8), de modo que el gas combustible descargado por las segundas espitas (66) se mezcla con gas de horno que recircula en la camara de combustion (8) hacia la pared de horno (4) y hacia el interior de cavidades para formar una mezcla no combustible de gas combustible-gas de horno aguas arriba de los extremos aguas abajo de los orificios de aire (50), mezclandose adicionalmente la mezcla no combustible con aire de combustion de los extremos de descarga de los orificios de aire (50) aguas arriba del centrifugador (36) para el encendido posterior mediante la llama (84) en la camara de combustion (8) sustancialmente aguas abajo del centrifugador (36), y
    un regulador de descarga de gas combustible (82) acoplado de manera operativa con la fuente de gas combustible (12) y las espitas de gas combustible (40, 66, 72) para dirigir relativamente mas gas combustible a traves de las segundas espitas de gas combustible (66) que a traves de las primeras espitas de gas combustible (40).
    Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 8, en el que los espacios, las primeras espitas de gas combustible (40), el centrifugador (36) y el conducto de aire de combustion no estan obstruidos en una direccion radial en relacion con el eje de modo que el gas combustible de recirculacion en la camara de combustion (8) puede hacerse fluir libremente hacia los espacios y hacia las proximidades de las primeras espitas de gas combustible (40), el centrifugador (36) y el conducto de aire de combustion para facilitar el mezclado del gas combustible, el aire de combustion y el gas de horno de recirculacion aguas arriba del extremo aguas abajo del centrifugador (36).
    Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 9, que incluye una tercera espita de gas combustible (72) dispuesta en el interior de cada orificio de aire (50) y que tiene un orificio de descarga de gas combustible (76) ubicado aguas arriba del extremo de descarga del orificio de aire (50) para arrastrar gas combustible en el aire de combustion que fluye a traves del orificio de aire (50) y formar ah una mezcla
    10
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    20
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    30
    35
    40
    45
    de gas combustible y aire de combustion.
  8. 11. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 10, en el que el regulador (82) dirige relativamente menos gas combustible a las terceras espitas de gas combustible (72) que a las segundas espitas de gas combustible (66).
  9. 12. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 8, en el que los extremos de descarga de los orificios de aire (50) estan inclinados de modo que una parte radialmente mas externa de cada orificio de aire (50) se extiende mas hacia el interior de la camara de combustion (8) que un extremo radialmente mas interno del orificio de aire (50) para de ese modo desviar aire de combustion de los orificios de aire (50) hacia el centrifugador (36).
  10. 13. Horno con bajas emisiones de NOx (2) segun la reivindicacion 8, en el que el horno (2) incluye una multiplicidad de tubenas de intercambio de calor dispuestas en el interior de la camara de combustion (8), y en el que los gases de horno de recirculacion entran en contacto con los tubos de intercambio de calor y se enfnan mediante los tubos de intercambio de calor antes de que los gases de horno de recirculacion se mezclen con aire de combustion.
  11. 14. Metodo para hacer descender las emisiones de NOx de un horno (2) que tiene una pared de horno (4), una camara de combustion (8) en el interior de la pared (4), un quemador (10) que se extiende hacia el interior de la camara de combustion (8) generando una llama (84) a partir de aire de combustion y gas de chimenea descargados por el quemador (10) en la camara de combustion (8), y un centrifugador (36) ubicado en un eje longitudinal del quemador (10), comprendiendo el metodo:
    - colocar el centrifugador (36) en la camara de combustion (8) de modo que el centrifugador (36) esta ubicado a una distancia sustancial de la pared de horno (4),
    - dirigir un primer flujo de aire de combustion a traves del centrifugador (36) y descargar el aire de combustion desde un extremo aguas abajo del centrifugador (36) hacia el interior la camara de combustion
    (8),
    - mezclar aguas abajo de un extremo aguas abajo del centrifugador (36) un primer flujo de gas combustible con el primer flujo de aire de combustion y encender una mezcla resultante de los mismos para generar la llama (84) en la camara de combustion (8),
    - disponer una pluralidad de corrientes de aire de combustion espaciadas, separadas alrededor del primer flujo de aire de combustion y descargar las corrientes de aire de combustion hacia el interior de la camara de combustion (8),
    - formar cavidades sustancialmente libres de aire de combustion (64) entre corrientes adyacentes de aire de combustion aguas arriba de donde las corrientes de aire de combustion se descargan hacia el interior de la camara de combustion (8),
    - hacer fluir de manera separada un segundo gas combustible hacia el interior de las cavidades (64) en una direccion hacia el centrifugador (36) proporcionando una segunda espita de gas combustible (66) dispuesta entre el par adyacente de orificios de aire (50), estando dispuesta dicha segunda espita de gas combustible (66) en relacion con el eje proxima a las partes radialmente mas externas de los orificios de aire (50),
    - hacer recircular gases de horno desde la camara de combustion (8) hacia el interior de las cavidades (64), haciendo fluir desde las cavidades (64) el gas de horno recirculado hacia el centrifugador (36), y arrastrando el segundo flujo de gas combustible hacia el aire de combustion recirculado en las cavidades (64) para formar una mezcla de gas combustible-gas de horno,
    - mezclar la mezcla de gas combustible-gas de horno con las corrientes de aire de combustion aguas arriba del centrifugador (36) para formar una mezcla combustible de gas combustible/gas de horno/aire de combustion que fluye en una direccion aguas abajo mas alla del centrifugador (36), y
    - encender la mezcla de gas combustible/gas de horno/aire de combustion con la llama (84) generada por el centrifugador (36).
  12. 15. Metodo segun la reivindicacion 14, que incluye arrastrar un tercer flujo de gas combustible en las corrientes de aire de combustion antes de que las corrientes de aire de combustion se mezclen con la mezcla de gas combustible-gas de horno, siendo el tercer flujo de gas combustible mas grande que el primer flujo de gas combustible y mas pequeno que el segundo flujo de gas combustible.
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