ENDEREZAMIENTO DE LLAMA EN UN HORNO.

Un método para generar llamas enderezadas en un horno, que comprende:

introducir un oxidante en una pluralidad de conductos para oxidante, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para oxidante una salida que comunica fluidamente con el interior del horno próximo a un primer extremo interior del horno, definiendo la pluralidad de salidas de los conductos para oxidante un área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta un segundo extremo interior del horno, estando el segundo extremo interior del horno enfrente del primer extremo interior del horno;

introducir un combustible en una pluralidad de conductos para combustible, teniendo cada una de la pluralidad de conductos para combustible una salida que comunica fluidamente con el interior del horno próxima al primer extremo interior del horno, estando la pluralidad de conductos para combustible en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante;

mezclar el combustible y el oxidante en el interior del horno;

hacer reaccionar el combustible y el oxidante con lo cual se forma una pluralidad de porciones de llama;

transferir calor desde la pluralidad de porciones de llama a una pluralidad de cámaras de reacción, atravesando dicha pluralidad de cámaras de reacción desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno, teniendo dicha pluralidad de cámaras de reacción una porción de extremo en relación espaciada con la pluralidad de conductos para oxidante y en relación espaciada con la pluralidad de conductos para combustible; y

reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno a entre 10% y 105% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior

Enderezamiento de llama en un horno.

La presente invención se refiere a un método y un horno para generar llamas enderezadas en un horno, y en particular a un método y un horno para generar llamas enderezadas en hornos de llama hacia abajo y de llama hacia arriba que tienen múltiples filas de cámaras de reacción (por ejemplo, tubos de proceso) y múltiples filas de quemadores de baja generación de NO_x (óxidos de nitrógeno).

Los hornos grandes de llama hacia abajo y de llama hacia arriba de múltiples filas (por ejemplo, hornos de reformado y hornos de craqueo de etileno) tienen complejos modelos de flujo de gases en el horno. Modelos de flujo de gases indeseables pueden desviar las llamas y causar un sobrecalentamiento localizado de los tubos de proceso, afectando con ello a las prestaciones de dichos hornos. Se conoce un horno de llama hacia abajo típico, por ejemplo, por la patente US-A-5.546.874.

Un horno convencional de reformado de metano con vapor de agua (101) con una configuración de llama hacia abajo se muestra en la Fig. 1. Un gas de alimentación (vapor de agua + gas natural) se suministra por la parte superior de los tubos de proceso (180), que están rellenos con catalizador de reformado. El gas de alimentación se reforma en los tubos de proceso rellenos de catalizador (180), para formar gas de síntesis (principalmente H₂, CO, CH₄, H₂O y CO₂), que se retira cerca del fondo de los tubos de proceso (180). Los quemadores (111) generan llamas (130) para proporcionar el calor necesario para las reacciones de reformado endotérmicas. El gas de síntesis retirado se refina luego o se purifica adicionalmente, por ejemplo en un adsorbedor de presión oscilante (abreviadamente PSA por la expresión inglesa Pressure Swing Adsorber), para producir hidrógeno como producto. Los gases restantes pueden ser enviados de nuevo a los quemadores (111) para uso como combustible.

En la Fig. 1, se ilustran los múltiples quemadores (111) con un modelo representativo de flujo de gases en horno (en el lado izquierdo más extremo). El chorro de llamas arrastra los gases del horno dando como resultado un bucle de recirculación en la región de la llama (130). Por debajo de la llama, los gases de horno fluyen hacia abajo, asemejándose a un flujo de tapón, y finalmente salen fuera a través de las entradas laterales de los túneles refractarios (122) para los gases residuales de la combustión.

En muchos casos los hornos muti-filas de llama hacia abajo que tienen llamas estrechas convencionales, la geometría del horno permite un área de flujo suficiente alrededor de la llama y puede crear una zona de recirculación en la sección superior del horno que facilita llamas rectas (130), como se muestran en la Fig. 1.

En el curso de implementar en un horno una nueva tecnología de quemadores de baja generación de NO_x con una relación de aspecto mayor que 0,8, los inventores encontraron que la sustitución de quemadores convencionales por quemadores de baja generación de NO_x algunas veces producía llamas desviadas que daban como resultado el problema de un calentamiento no uniforme de las cámaras de reacción, es decir los tubos del proceso. Como se representa en la Fig. 2, los nuevos quemadores de baja generación de NO_x producían llamas más anchas (31) que estaban desviadas o inclinadas hacia algunas de las cámaras de reacción (80). La curvatura de las llamas y el impacto en las cámaras de reacción causa un calentamiento localizado de las paredes de las cámaras de reacción y variaciones en la temperatura del gas de proceso de fila a fila (es decir, cámaras de reacción calientes en algunas filas, y cámaras de reacción más frías en otras filas). Esto da como resultado un sobrecalentamiento de algunas paredes de las cámaras de reacción, no uniformidad en las temperaturas de las paredes, grandes desviaciones en las temperaturas del gas de proceso desde la cabeza de un proceso a otro, deficiente eficacia radiante, y puede reducir la vida del horno y sus componentes.

Los inventores intentaron algunos de los métodos más comunes para reducir la desviación de las llamas es decir, enderezar las llamas, en hornos grandes de tipo caja. Estos métodos incluyen:

Estos métodos se han revelado insatisfactorios. Además, algunos de estos métodos no son soluciones permanentes, sino más bien temporalmente fijas que frecuentemente reducen las prestaciones del horno. En un horno en donde los modelos de trayectoria de los gases del horno son inestables, cualquier intento de estabilización o enderezamiento de las llamas en una región podría conducir a efectos indeseables en otra región. En otras palabras, el problema se traslada simplemente desde una región a otra. Estos métodos no eliminan el problema que constituye la interacción de los gases del horno con las llamas.

Se desea tener un método y un horno para generar llamas enderezadas que usan quemadores de baja generación de NO_x en un horno múltiples filas de quemadores y múltiples filas de cámaras de reacción.

Se desea tener un método y un horno para generar llamas enderezadas en hornos de llama hacia abajo o de llama hacia arriba que usan quemadores de baja generación de NO_x en un horno que tienen múltiples filas de quemadores y múltiples cámaras de reacción.

Se desea tener un método y un horno para proporcionar temperaturas uniformes de gas de proceso ente las múltiples filas cámaras de reacción, sin sobrecalentar las cámaras de reacción.

Se desea tener un método y medios para reducir la desviación y el impacto resultante de las llamas en las cámaras de reacción en un horno que usa quemadores de baja generación de NO_x.

Se desea tener un método y un horno para generar llamas enderezadas en el horno con quemadores de baja generación de NO_x, al mismo tiempo que se utiliza completamente el espacio de combustión del horno para una eficacia mejorada del horno.

Se desea tener un método y un horno para generar llamas enderezadas usando quemadores de baja generación de NO_x en un horno con una relación de aspecto mayor que 0,8.

Se desea tener un método y un horno para generar llamas enderezadas usando quemadores de baja generación de NO_x en un horno que tiene múltiples filas de quemadores y múltiples filas de cámaras de reacción, en donde cualquier desviación de la llama está dirigida hacia una llama adyacente en lugar de hacia una cámara de reacción.

La presente invención se refiere a un método y un horno para generar llamas enderezadas en un horno. El método comprende introducir un oxidante en una pluralidad de conductos para oxidante, en donde cada una de la pluralidad...

1. Un método para generar llamas enderezadas en un horno, que comprende:

2. Un método según la reivindicación 1, en donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno se reduce a entre 90% y 105% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.

3. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la etapa de reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno comprende terminar la introducción del oxidante en al menos una de la pluralidad de conductos para oxidante.

4. Un método según la reivindicación 3, que comprende además terminar la introducción de combustible en una pluralidad de conductos para combustible adyacente a al menos una de la pluralidad de conductos para oxidante que tiene terminada la introducción de oxidante.

5. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde en la etapa de reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno comprende terminar la introducción del oxidante en al menos dos de la pluralidad de conductos para oxidante.

6. Un método según la reivindicación 5, en donde las al menos dos de la pluralidad de conductos para oxidante están situadas en una fila secundaria común.

7. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la etapa de reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior del horno hasta el segundo extremo interior del horno comprende reducir el área de la sección transversal de al menos una de la pluralidad de salidas de los conductos para oxidante.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el oxidante procedente de al menos una de la pluralidad de conductos para oxidante se introduce en el horno sustancial y verticalmente hacia abajo.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el combustible procedente de al menos una de la pluralidad de conductos para combustible se introduce en el horno formando un ángulo con la línea central del conducto para oxidante adyacente, en donde dicho ángulo es 25 a 60 grados con la vertical.

10. Un horno que comprende:

11. Un horno según la reivindicación 10, en donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior es entre 90% y 105% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.

12. Un horno según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en donde el primer extremo interior tiene una relación de aspecto mayor que 0,8.

13. Un horno según la reivindicación 12, en donde el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior es entre 90% y 104% del área proyectada horizontalmente del primer extremo interior.

14. Un horno según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en donde el número de conductos para combustible es al menos 4 veces mayor que el número de conductos para oxidante.

15. Un horno según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, que comprende además medios (15) para reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior.

16. Un horno según la reivindicación 15, en donde los medios para reducir el área combinada de chorro libre turbulento proyectada horizontalmente en 30% de la distancia media desde el primer extremo interior hasta el segundo extremo interior comprenden medios (15) para reducir el área de la sección transversal de la salida de al menos una de la pluralidad de conductos para oxidante.

17. Un horno según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 16, en donde al menos una de la pluralidad de conductos para combustible (21) forma un ángulo con la línea central de un conducto oxidante adyacente (11), en donde dicho ángulo es 25 a 60 grados con la vertical.