ES2605953T3

ES2605953T3 - Método de combustión

Info

Publication number: ES2605953T3
Application number: ES05771826.4T
Authority: ES
Inventors: Anders Lugnet; Tomas Ekman
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Linde Sverige AB
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2017-03-17
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: KR20070073762A; BRPI0515660A; CA2578374A1; EP1831605A4; US7594811B2; PL1831605T3; EP1831605B1; DK1831605T3; WO2006031163A1; US20070172780A1; HUE032145T2; SE0402223D0; SE0402223L; SE528808C2; EP1831605A1; MX2007002936A; KR20120131212A; JP2008513721A

Abstract

Un método para la combustión de un combustible con un oxidante en un horno de calefacción, en el que el combustible y el oxidante son suministrados a una cabeza de quemador que es cilíndrica, en el que en una primera etapa del método se emiten combustible y oxidante desde la cabeza del quemador (1; 10) en estrecha proximidad entre sí, de manera que la combustión estará esencialmente próxima y a poca distancia de la cabeza del quemador hasta que se alcanza en el espacio del horno una temperatura que excede la temperatura de combustión espontánea del combustible, en el que en una segunda etapa del método, se emiten el combustible y el oxidante, en cambio, desde la cabeza del quemador (1; 10) a una distancia mutua tal que la combustión tendrá lugar esencialmente a una distancia de la cabeza del quemador que corresponde al menos al diámetro de la cabeza del quemador y hacia fuera del quemador, en el que en dicha segunda etapa del método se emite el combustible sólo desde una tobera (2; 11) en la cabeza del quemador y se emite el oxidante sólo a través de orificios de salida (4, 5; 12-14) localizados en un lado y a una distancia de dicha tobera, en el que el método comprende, además, colocar dichos orificios de salida (4, 5; 12-14) a una distancia desde la tobera de combustible (2; 11) que excede la mitad del diámetro de la cabeza del quemador (1; 10), en el que al oxidante es gaseoso y tiene un contenido de oxígeno del 80 % o más y en el que el método comprende, además, suministrar el oxidante a una sobrepresión de al menos 2 bares.

Description

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DESCRIPCION

Metodo de combustion

La presente invencion se refiere a un metodo de combustion. Mas espedficamente, la invencion se refiere a un metodo para la combustion de gas oxfgeno con respecto a hornos de calefaccion.

Cuando se queman hidrocarburos en combinacion con alta concentracion de ox^geno, se alcanzan normalmente temperaturas de la llama que exceden de 2000 °C, junto con atmosferas del horno de presiones parciales muy altas de dioxido de carbono y vapor. Esto conduce a inconvenientes, tales como altos contenidos de NOx y problemas de sobrecalentamiento local.

Los documentos US 4.439.137, US 6.074.197 y US 5.554.022 muestran todos quemadores, en los que se inyecta combustible en una localizacion de la cabeza del quemador y en los que se inyecta oxidante en dos o mas localizaciones durante toda la operacion del quemador.

Es altamente deseable disenar quemadores que tengan propiedades de disminucion de las emisiones.

La invencion cumple este deseo.

De acuerdo con ello, la presente invencion se refiere a un metodo para la combustion de un combustible con un oxidante en un horno de calefaccion, en el que el combustible y el oxidante son suministrados a una cabeza de quemador que es cilmdrica, en el que en una primera etapa del metodo se emiten combustible y oxidante desde la cabeza del quemador en estrecha proximidad entre sf, de manera que la combustion estara esencialmente proxima y a poca distancia de la cabeza del quemador hasta que se alcanza en el espacio del horno una temperatura que excede la temperatura de combustion espontanea del combustible, en el que en una segunda etapa del metodo, se emiten el combustible y el oxidante, en cambio, desde la cabeza del quemador a una distancia mutua tal que la combustion tendra lugar esencialmente a una distancia de la cabeza del quemador que corresponde al menos al diametro de la cabeza del quemador y hacia fuera del quemador, en el que en dicha segunda etapa del metodo se emite el combustible solo desde una tobera en la cabeza del quemador y se emite el oxidante solo a traves de orificios de salida localizados en un lado y a una distancia de dicha tobera, en el que el metodo comprende, ademas, colocar dichos orificios de salida a una distancia desde la tobera de combustible que excede la mitad del diametro de la cabeza del quemador, en el que al oxidante es gaseoso y tiene un contenido de oxfgeno del 80 % o mas y en el que el metodo comprende, ademas, suministrar el oxidante a una sobrepresion de al menos 2 bares.

La invencion se describira ahora con mas detalle, parcialmente con referencia a formas de realizacion ejemplares de la invencion, ilustradas en los dibujos que se acompanan, en los que:

La figura 1 es una vista delantera lineal de una cabeza de quemador utilizada para realizar el metodo de acuerdo con una primera forma de realizacion no cubierta por la presente invencion.

La figura 2 es una vista lineal de una cabeza de quemador utilizada para realizar el metodo de acuerdo con una segunda forma de realizacion no cubierta por la presente invencion.

La figura 3 es una ilustracion esquematica de una cabeza de quemador utilizada para realizar el metodo y una llama como se ve desde un lado cuando el quemador es accionado de una primera manera; y

La figura 4 es una ilustracion esquematica de una cabeza de quemador utilizada para realizar el metodo y una llama como se ve desde un lado cuando el quemador es accionado de una segunda manera,

El metodo inventivo se refiere, por lo tanto, a la combustion de un combustible con un oxidante en un horno de calefaccion, en el que el combustible y el oxidante son suministrados a una cabeza de quemador. La cabeza de quemador esta montada de una manera conocida en una pared del horno, de manera que la llama producida en el proceso de combustion se extendera dentro de la camara del horno.

De acuerdo con la invencion, el proceso de combustion tiene lugar en dos etapas, donde la segunda etapa proporciona ventajas sobre la tecnologfa conocida.

En una primera etapa del metodo, se emiten combustible y oxidante desde la cabeza del quemador en estrecha relacion entre sf, de manera que el proceso de combustion tendra lugar esencialmente cerca y ligeramente espaciado de la cabeza del quemador. Este metodo se conoce por sf, en el que el quemador se designa como quemador “Oxi-combustible”.

En esta primera etapa del metodo, el quemador es accionado hasta que se alcanza una temperatura que excede la temperatura de combustion espontanea del combustible en la camara del horno.

La segunda etapa del proceso de combustion se inicia convencionalmente cuando la temperatura del horno esta por

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encima de aproximadamente 750°C.

De acuerdo con la invencion, esta segunda etapa del metodo se realiza cuando se alcanza esta temperatura o una temperature todav^a mas alta. En esta segunda etapa del metodo, en cambio, se emiten el combustible y el oxidante desde la cabeza del quemador a una distancia entre sf, de manera que la combustion tendra lugar generalmente a una distancia de la cabeza del quemador que corresponde al menos al diametro de la cabeza del quemador y fuera del quemador.

Se prefiere que en la primera etapa del metodo se emita el combustible desde una tobera 2 en la cabeza del quemador 1 y se emita el oxidante desde orificios de salida 3 colocados concentricamente alrededor de la tobera 2; ver la figura 1.

Se prefiere tambien que en la segunda etapa del metodo, se emita el combustible desde una tobera 2 en una cabeza del quemador 1 y que se emita el oxidante desde orificios de salida 4, 5 localizados en un lado y a una distancia desde dicha tobera 2; ver la figura 1.

De acuerdo con una forma de realizacion no cubierta por la invencion, los orificios de salida 4, 5 estan compuestos de toberas Laval o toberas venturi.

El orificio 6 funciona para supervisar la llama.

De acuerdo con la invencion, los orificios de salida 4, 5 estan espaciados desde la tobera de combustible 2 una distancia que excede el diametro de la cabeza del quemador.

Se ha encontrado que una distancia de aproximadamente 40 mm es suficiente para proporcionar el efecto deseado.

Por lo tanto, el quemador permite dos modus operandi diferentes, parcialmente como un quemador tfpicamente de oxi-combustible y parcialmente como un quemador que funciona para producir una llama de temperatura maxima esencialmente mas baja. Esta temperatura mas baja de la llama esta adaptada para estar por debajo de la temperatura a la que la formacion de NOx esta limitada por la cinetica de la reaccion, siendo esta temperatura aproximadamente 1550°C.

Esto se consigue por la colocacion mencionada anteriormente de los orificios de salida de oxfgeno 4, 5 y la tobera de combustible, de manera que el combustible y el oxfgeno se queman mas alejados de la cabeza del quemador en comparacion con un proceso de combustion de oxi-combustible convencional. Esto se ilustra en las figuras 3 y 4, donde a figura 3 ilustra le relacion mutua entre la longitud y la propagacion de las llamas 7, 8 con respecto a la combustion de oxi-combustible, y la figura 4 ilustra la relacion mutua entre la longitud y la propagacion de dichas llamas en el caso de combustion de acuerdo con la segunda etapa del metodo inventivo.

El concepto de la invencion reside en reducir el contenido de oxfgeno en la zona de combustion, a pesar de que el oxidante tiene un contenido de mas del 80 %, en virtud de la separacion, alta presion y un emplazamiento optimizado de la tobera. Esto se consigue con una configuracion de la tobera que proporciona una subpresion alta sobre aquellas superficies de la tobera que carecen de toberas emisoras de medio. Como resultado de la subpresion, los gases de la combustion son aspirados desde la atmosfera del horno y mezclados rapidamente con los medios de flujo de salida y crean con ellos turbulencia. El medio de mezcla, es decir, la atmosfera del horno, tiene tfpicamente un contenido de oxfgeno de 0,5-10 %. El resto del gas esta compuesto de CO2 y H2O y N2 en mezclas variables.

Debido a que CO2 y H2O y N2 no toman parte activa en el proceso de la combustion, estos constituyentes actuan como “retardadores de la combustion”. La dilucion del oxfgeno y el combustible es muy alta. Tfpicamente, se alcanzan concentraciones de oxfgeno de 7-15 % en el proceso de combustion, a pesar del uso de oxfgeno puro. Cuando se aplica la presente invencion, se obtiene a temperaturas del proceso por encima de dicha temperatura de combustion espontanea una combustion difusa, pero controlada que reduce significativamente la formacion de gases NOx, principalmente NO y NO2.

Como resultado, el combustible y el oxidan se mezclaran con gases de combustion del horno antes de que el combustible y los gases oxidantes se encuentren entre sf. Esto proporciona una llama mayor y mas fria 8 a pesar de la eficacia que corresponde a la conseguida cuando se efectua la combustion de acuerdo con tecnologfa conocida. Las toberas pueden estar dirigidas convenientemente rectas hacia delante, es decir, que no tienen que ser dirigidas hacia fuera o entre sf, aunque pueden estar acodadas hacia o fuera del eje longitudinal de la cabeza del quemador.

De acuerdo con una forma de realizacion preferida del metodo inventivo, es oxidante es gaseoso y tiene una concentracion de oxfgeno de 85 % o mas.

De acuerdo con una caractenstica significativa del metodo inventivo, el oxidante se suministra al quemador a una presion de al menos 2 bares de sobrepresion. Debido a que la temperatura de la llama es mas baja y la mezcla de gas en el volumen del horno es mayor que en el caso de combustion de oxi-combustible, se reduce al mmimo la

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formacion de NOx, mientras las diferencias de la temperatura en el espacio del horno se reducen drasticamente al mismo tiempo.

En comparacion con dispositivos de combustion convencionales utilizados en procesos industrials, la aplicacion del metodo inventivo da como resultado una reduccion de la formacion de NOx de mas del 90 %, sin perjudicar la eficiencia del proceso y sin suministrar otras sustancias que las requeridas para la combustion.

Una tobera de quemador no cubierta por la presente invencion no es mayor que una cabeza de quemador conocida para combustion de oxi-combustible. En una forma de realizacion preferida no cubierta por la invencion, la tobera del quemador tiene un diametro de aproximadamente 70 mm.

El metodo compacto permite aplicar la invencion en equipo ya posefdo por el usuario. Ademas, el equipo se puede colocar en una carcasa protectora pequena refrigerada por agua para aplicacion a temperaturas muy altas del proceso.

Las ventajas mencionadas anteriormente se consiguen de acuerdo con la invencion con un combustible seleccionado, combustible solido, combustible gaseoso o combustible lfquido. La disposicion puede sustituir a sistemas de combustion existentes principalmente si reconstruir el equipo del horno utilizado para el proceso.

En beneficioso que el combustible utilizado sea petroleo, propano o gas natural.

La cabeza del quemador mostrada en la figura 1 esta destinada para petroleo como combustible.

La figura 2 muestra una cabeza de quemador 10 para gas natural como combustible. La tobera 11 esta destinada para gas natural. Los orificios exteriores 12, 13, 14 estan destinados para el oxidante. El orificio 15 esta destinado para supervisar la llama y el orificio 16 esta destinado para una llama piloto.

Debido a que las toberas de oxidante y de combustible se pueden dirigir rectas, se obtiene una construccion que es economica, facil de mantener y se puede aplicar en procesos existentes sin requerir medida, salvo el cambio de la construccion de la tobera.

El oxidante es inyectado en el espacio de la combustion a traves de una o mas toberas en forma de toberas Laval o toberas venturi. El oxidante estara con preferencia a una sobrepresion de al menos 2 bares. Cuanto mas alta es la presion, mejor es la eficacia de la invencion. Una presion preferida para aplicaciones normales es 4-5 bares. El combustible es inyectado a traves de toberas convencionales a la presion disponible.

Aunque la cabeza del quemador no cubierta por la presente invencion ha sido descrita anteriormente con referencia a un numero de formas de realizacion ejemplares, se entiende que el diseno de la cabeza del quemador se puede variar. Por ejemplo, la cabeza del quemador puede incluir mas orificios de salida de oxidante que los mostrados. Ademas, el emplazamiento de la tobera de combustible puede ser diferente del mostrado en los dibujos.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. - Un metodo para la combustion de un combustible con un oxidante en un horno de calefaccion, en el que el combustible y el oxidante son suministrados a una cabeza de quemador que es cilmdrica, en el que en una primera etapa del metodo se emiten combustible y oxidante desde la cabeza del quemador (1; 10) en estrecha proximidad entre sf, de manera que la combustion estara esencialmente proxima y a poca distancia de la cabeza del quemador hasta que se alcanza en el espacio del horno una temperatura que excede la temperatura de combustion espontanea del combustible, en el que en una segunda etapa del metodo, se emiten el combustible y el oxidante, en cambio, desde la cabeza del quemador (1; 10) a una distancia mutua tal que la combustion tendra lugar esencialmente a una distancia de la cabeza del quemador que corresponde al menos al diametro de la cabeza del quemador y hacia fuera del quemador, en el que en dicha segunda etapa del metodo se emite el combustible solo desde una tobera (2; 11) en la cabeza del quemador y se emite el oxidante solo a traves de orificios de salida (4, 5; 12-14) localizados en un lado y a una distancia de dicha tobera, en el que el metodo comprende, ademas, colocar dichos orificios de salida (4, 5; 12-14) a una distancia desde la tobera de combustible (2; 11) que excede la mitad del diametro de la cabeza del quemador (1; 10), en el que al oxidante es gaseoso y tiene un contenido de oxfgeno del 80 % o mas y en el que el metodo comprende, ademas, suministrar el oxidante a una sobrepresion de al menos 2 bares.
2. - Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que en la primera etapa del metodo se emite el combustible desde una tobera (2; 11) en la cabeza del quemador (1; 10), y se emite el oxidante concentricamente (3) alrededor de dicha tobera.
3. - Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el metodo comprende, ademas, utilizar petroleo como el combustible.
4. - Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 o 2, en el que el metodo comprende, ademas, utilizar gas natural o propano como el combustible.