Un dispositivo de dilución de combustible para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible,

incluyendo: un primer conducto (32) que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto (32) para transmitir una corriente de un combustible que entra en la entrada y sale por la salida y un segundo conducto (34) que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto (34) para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y sale por la evacuación, definiendo la salida del primer conducto (32) y la evacuación del segundo conducto (34) una posición de mezcla próxima a la salida y la evacuación, caracterizado porque el dispositivo incluye además una boquilla de cremallera (74) en comunicación de fluido hacia abajo con la salida del primer conducto (34) y la posición de mezcla

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a procesos y sistemas de aportación escalonada del combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx), y en particular a tales procesos y sistemas que usan puntas de dilución de combustible en quemadores de Nox bajo.

Uno de los retos a los que se enfrenta la industria de procesos químicos (CPI) es la combustión de combustibles residuales por razones económicas y que al mismo tiempo cumplir los requisitos de emisiones de bajo contenido de NOx y CO. Los combustibles residuales contienen una mezcla de gases de relación C/H más alta que se queman con llamas muy luminosas debido a oxidación de carbono y también producen partículas de hollín o carbono dependiendo del proceso de combustión. La composición típica del combustible de refinería contiene cantidades variables de combustibles y gases inertes (por ejemplo, C1, C2, C3 Cn, olefinas, hidrógeno, nitrógeno, CO2, vapor de agua). Si se forman partículas de carbono u hollín en las puntas de combustible, la estructura de hollín crece generalmente bajo condiciones favorables de presión y temperatura existentes cerca de la salida de la punta. Esto podría dar lugar a bloqueo de inyección de combustible, deflexión del chorro de combustible, y sobrecalentamiento de las puntas y partes del horno, tales como los tubos de proceso y las paredes refractarias, y a la parada potencial de la operación de los quemadores y del horno. La parada de un horno podría dar lugar a significativas cargas financieras, incluyendo la responsabilidad que surge de la interrupción de procesos posteriores.

Los combustibles de refinería sucios que constan de carbono superior y que contienen gases tales como acetileno, etano, propano, butano y olefinas (por ejemplo, etileno y propileno) producen generalmente partículas de hollín si las puntas de combustible se someten a:

* Mezcla inadecuada en el horno (dependiendo de que el número de chorros, geometría de los chorros, ángulos de inyección y velocidades de inyección no sean óptimos) (generalmente clasificados como un problema de diseño del quemador);

* Falta de aire de combustión o de oxidante disponible cerca de los chorros de combustible (generalmente clasificados como un problema de configuración del flujo de los quemadores);

* Inadecuado enfriamiento de las puntas de combustible (exposición regular a la radiación del horno) (generalmente clasificado como un problema de diseño del quemador y la configuración de la punta de combustible);

* Interrupción de los flujos de combustible (fiabilidad del equipo de combustible situado hacia arriba) (generalmente clasificado como un problema de proceso);

* Operación de combustión más baja (tasas de flujo de combustible más bajas debido a bajada del proceso) (generalmente clasificado como un problema de proceso); o

* Fluctuación de la composición del combustible de refinería en términos de especies conteniendo carbono (generalmente clasificado como un problema de requisitos del proceso).

El diseño del quemador o las puntas afecta de forma significativa al sobrecalentamiento de las puntas, producción de hollín, obturación de las puntas, y frecuente mantenimiento resultante del equipo quemador. Estos problemas se complican por las condiciones cambiantes del proceso, tales como extremo bajo de la bajada del proceso y/o interrupción de los flujos de combustible, que afectan al enfriamiento requerido necesario en las puntas de combustible. Las condiciones cambiantes del proceso y los cambios de la composición del combustible son comunes en la operación de la refinería.

Otro reto al que se enfrenta la CPI es el requisito de emisiones de bajo contenido de NOx para cumplir las normas sobre emisiones. Hay varias zonas en los Estados Unidos donde las normas relativas a NOx (según la ley del Aire Puro de 1990) requieren que las emisiones de los calefactores de proceso, calderas, turbinas de gas, y demás equipos de combustión estacionarios sean inferiores a 10 ppm de NOx. La solución más común o BACT (mejor tecnología de control disponible) en la CPI es usar un SCR (reactor catalítico selectivo) para post-limpieza de gases de combustión para reducción del contenido de NOx en la corriente de gases de escape (convirtiendo NOx a N2) usando inyección de amoníaco dentro de un reactor catalítico grande. Este proceso requiere mucho capital y requiere cantidades significativas de amoníaco, aire caliente y electricidad para la operación del ventilador ID.

La mayoría de las refinerías desearía evitar la instalación de SCR y usar en su lugar quemadores de Nox bajo para cumplir sus requisitos de NOx. Sin embargo, los quemadores de NOx bajo no han producido sistemáticamente menos de 10 ppm de NOx en varias aplicaciones de calentamiento de procesos, tales como reformadores de vapor de metano (SMR), calefactores de crudo, crackers de etileno, o calderas. Por esta razón, el uso de quemadores de Nox bajo no ha sido certificado por las agencias reguladoras como la BACT. En otros términos, SCR actualmente es la única solución comercialmente viable para cumplir los estrictos niveles de NOx en regiones de cumplimiento de ozono donde la concentración de ozono a nivel de tierra excede de los límites legales.

Típicamente, los operadores en la CPI utilizan gas natural limpio o una mezcla óptima de gas natural y combustibles de refinería sucios para reducir las cargas de los problemas de mantenimiento. Sin embargo, debido a la escasez del gas natural y el alto costo de los combustibles, no siempre es posible que las industrias de proceso utilicen gas natural limpio para combustión. Las refinerías que pueden quemar combustibles residuales tienen típicamente una productividad más alta y un estado competitivo relativamente favorable en comparación con otras refinerías que infrautilizan el potencial de los combustibles residuales.

Con respecto a reducción de NOx, los métodos comunes de control de NOx incluyen la utilización de quemadores de Nox bajo equipados con niveles más altos de aportación escalonada del combustible y dilución de aire/combustible con recirculación de gases de combustión (FGR). Inyectando especies químicas no reactivas o inertes en la mezcla de combustible/oxidante, se reduce la temperatura media de la llama y, por ello, se reducen las emisiones de NOx. Sin embargo, estos métodos requieren costos adicionales de tuberías y energía asociados con el transporte de gases de combustión. Además, hay una carga de energía debida al calentamiento requerido de los gases desde la temperatura ambiente a la temperatura de proceso. Además, los datos de campo publicados en la literatura no indican que estos métodos logren un rendimiento inferior a 10 ppm de NOx.

Se han desarrollado varios dispositivos y métodos que usan aportación escalonada del combustible con el objetivo de reducir las emisiones de NOx. Varios de ellos se explican a continuación.

La Solicitud de Patente de Estados Unidos número 2003/0148236 (Joshi y colaboradores) describe un quemador de NOx ultra bajo que usa boquilla de aportación escalonada de combustible. El quemador tiene ocho lanzas de aportación escalonada del combustible situadas alrededor del cuerpo principal del quemador. La parte central del quemador se usa para suministrar 100% del aire de combustión y se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible (-10%) para la estabilidad general de la llama. El resto del combustible (- 90%) es inyectado usando múltiples lanzas de aportación escalonada del combustible. Las lanzas de aportación escalonada del combustible tienen puntas de boquilla de combustible especiales con dos agujeros circulares. Como se representa en las figuras 1A-1C, estas lanzas tienen ángulos de divergencia axial y radial para mezcla retardada con el aire de combustión y arrastre de los gases de horno debido a una velocidad de chorro relativamente alta (152 a 305 m/s (500 a 1.000 pies/segundo) o una presión de suministro de combustible de 34500 a 103000 N/m2 (5 a 15 psig) dependiendo de la tasa de combustión).

La Patente de Estados Unidos número 6.383.462 (Lang) describe un método y un aparato que tiene una cámara de mezcla fuera del “quemador y horno” para mezclar gases de combustión del horno con el gas combustible, como se representa en la figura 2. Se utiliza una mezcladora venturi convergente divergente para diluir más el gas combustible con gas de promoción de flujo adicional. La mezcla resultante (combustible diluido con gases de combustión) es enviada posteriormente al quemador donde la mezcla se combina con el aire de combustión y quema... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de dilución de combustible para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible, incluyendo:

un primer conducto (32) que tiene una entrada y una salida espaciada de la entrada, estando adaptado el primer conducto (32) para transmitir una corriente de un combustible que entra en la entrada y sale por la salida y

un segundo conducto (34) que tiene una admisión y una evacuación espaciada de la admisión, estando adaptado el segundo conducto (34) para transmitir una corriente de un fluido que entra en la admisión y sale por la evacuación, definiendo la salida del primer conducto (32) y la evacuación del segundo conducto (34) una posición de mezcla próxima a la salida y la evacuación, caracterizado porque el dispositivo incluye además

una boquilla de cremallera (74) en comunicación de fluido hacia abajo con la salida del primer conducto (34) y la posición de mezcla.

2. Un dispositivo de dilución de combustible según la reivindicación 1, donde el primer conducto (32) está adyacente al segundo conducto (34),

3. Un dispositivo de dilución de combustible según la reivindicación 1, donde el segundo conducto (34) está dispuesto en el primer conducto (32).

4. Un dispositivo de dilución de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, incluyendo además un turbulenciador (54) dispuesto en el segundo conducto (34).

5. Un dispositivo de dilución de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el segundo conducto (34) tiene un diámetro equivalente (Dc) y la evacuación del segundo conducto (34) está situada a una distancia detrás de la salida del primer conducto (32), estando dicha distancia en un rango de aproximadamente (2 x Dc) a aproximadamente (20 x Dc), y/o

donde el dispositivo de dilución de combustible está en comunicación de fluido con un horno conteniendo una cantidad de un gas de horno.

6. Un método para diluir un combustible para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno a través de aportación escalonada del combustible utilizando un dispositivo de dilución de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, incluyendo los pasos de:

a) alimentar una corriente del combustible a la entrada del primer conducto (32), transmitir la corriente del combustible que entra en la entrada a través del primer conducto (32); saliendo dicha corriente del combustible por la salida del primer conducto (32) en un primer estado termodinámico y un primer índice de combustible;

b) alimentar una corriente de un fluido a la admisión de un segundo conducto (34); transmitir la corriente del fluido que entra en la admisión a través del segundo conducto (34), saliendo dicha corriente del fluido de la evacuación del segundo conducto (34) en un segundo estado termodinámico y un segundo índice de combustible, siendo el segundo índice de combustible diferente del primer índice de combustible en al menos aproximadamente 0,1 y siendo el segundo estado termodinámico diferente del primer estado termodinámico;

c) proporcionar por ello un potencial para mezcla entre la corriente del combustible que sale por la salida del primer conducto (32) y la corriente del fluido que sale por la evacuación del segundo conducto (34);

d) mezclar al menos una porción de la corriente del combustible que sale por la salida del primer conducto (32) con al menos una porción de la corriente del fluido que sale por la evacuación del segundo conducto (34) en una posición próxima a la salida y la evacuación

e) generar por ello al menos una corriente de combustible diluido que tiene un índice de combustible intermedio entre el primer índice de combustible y el segundo índice de combustible;

f) transmitir a través de la boquilla de cremallera al menos una porción de la corriente de combustible diluido;

g) proporcionar una fuente de un oxidante; y

h) quemar una porción del oxidante con al menos una porción de la corriente de combustible diluido.

7. Un método según la reivindicación 6, donde el fluido es un combustible, o donde el fluido se selecciona de un grupo que consta de vapor, gases de combustión, dióxido de carbono, nitrógeno, argón, helio, xenón, criptón, otros fluidos inertes, y sus mezclas o combinaciones.

8. Un método según la reivindicación 6 o 7 utilizando un dispositivo como el definido en la reivindicación 4, incluyendo el paso adicional de:

5 transmitir al menos una porción de la corriente del fluido a través del turbulenciador (56), arremolinando por ello al menos una porción del fluido que sale por el segundo conducto.

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, utilizando un dispositivo de dilución de combustible como el definido en la reivindicación 5, incluyendo el paso adicional de colocar el dispositivo de dilución de combustible en comunicación de fluido con un horno conteniendo una cantidad de un gas de horno, mezclando por ello al menos una porción de la cantidad del gas de horno con al menos una porción de la corriente de combustible diluido.