QUEMADOR PARA LA COMBUSTIÓN DE UN GAS DE COMBUSTIÓN DE BAJO PODER CALORÍFICO Y MÉTODO PARA OPERAR UN QUEMADOR.

Quemador (1) para la combustión de un gas de combustión (SG) de bajo poder calorífico,

con un conducto de aire (2) que se extiende a lo largo de un eje del quemador (12) para el suministro de aire de combustión (10) y con un conducto de combustión (26) que se encuentra diseñado para un flujo volumétrico elevado de gas de combustión (SG) de bajo poder calorífico, donde el conducto de combustión (26) y el conducto de aire (2) desembocan en una zona de mezcla (27), caracterizado porque el conducto de aire (2) presenta una zona de desembocadura (28) directamente adyacente con respecto a la zona de mezcla (27) en cuanto al flujo, se proporciona un elemento de turbulencia (4) para la generación de aire de combustión (10) turbulento, y donde aguas arriba del elemento de turbulencia (4) se encuentran dispuestos álabes torsionados (5) en el conducto de aire (2)

La presente invención hace referencia a un quemador para la combustión de un gas de combustión de bajo poder calorífico, con un conducto de aire que se extiende a lo largo de un eje del quemador para 5 el suministro de aire de combustión y con un conducto de combustión que se encuentra diseñado para un flujo volumétrico elevado de gas de combustión de bajo poder calorífico, donde el conducto de combustión y el conducto de aire desembocan en una zona de mezcla.

La presente invención se relaciona además con un método para operar un quemador, donde es carburado un combustible fósil y el combustible fósil carburado es suministrado al quemador como un 10 gas de síntesis de bajo poder calorífico, es mezclado con el aire de combustión para producir una mezcla de aire y de gas de combustión, y es quemado en una cámara de combustión.

La solicitud EP 0956475 B1 muestra un quemador para un combustible de alto poder calorífico, por ejemplo gas natural o aceite combustible de una mezcla muy homogénea de combustibles de alto poder calorífico y de aire de combustión. Para ello, dentro del conducto anular de suministro de aire se 15 encuentra introducido un elemento de turbulencia, a saber, de modo tal que la entrada del combustible de alto poder calorífico se encuentra dispuesta del lado de afluencia del elemento de turbulencia. El combustible es introducido para generar una mezcla homogénea mediante varios conductos de entrada que se encuentran dispuestos en los álabes torsionados dentro del conducto de suministro de aire. A continuación, esta mezcla es introducida en la cámara de combustión para la combustión. 20

En vistas a los esfuerzos realizados en todo el mundo para disminuir la producción de contaminantes de instalaciones de combustible, en particular de turbinas de gas, en los últimos años han sido desarrollados quemadores y métodos para operar quemadores, los cuales presentan una expulsión particularmente reducida de óxido de nitrógeno (NOx). De este modo, se ha dado mucha importancia a que quemadores semejantes no sólo puedan ser operados con un único combustible, sino, de ser 25 posible, de forma opcional, puedan ser operados con combustibles diferentes, como por ejemplo aceite combustible, gas natural y/o gas de coque o incluso en combinación, para incrementar la seguridad de suministro y la flexibilidad al ser operado el quemador. Quemadores semejantes son descritos en la solicitud EP 0 276 696 B1.

En comparación con los combustibles convencionales para turbinas de gas, gas natural y derivados 30 del petróleo, los cuales se componen esencialmente de hidrocarburos, los componentes combustibles de los gases de síntesis se componen esencialmente de monóxido de carbono y de hidrógeno. En función del método de carburación y del concepto de la instalación en su totalidad, el valor calorífico del gas de síntesis es aproximadamente de 5 a 10 veces más bajo que el valor calorífico del gas natural. Los componentes principales, junto con el monóxido de carbono y el hidrógeno, son 35 componentes inertes como el nitrógeno y/o el vapor de agua y, dado el caso, también dióxido de carbono. Debido al bajo valor calorífico, los elevados flujos volumétricos de gas de combustión deben ser suministrados a través del quemador de la cámara de combustión. A consecuencia de ello, debe proporcionarse un conducto de combustión separado para la combustión de combustibles de bajo poder calorífico – como gas de síntesis- el cual se encuentra diseñado para un elevado flujo 40 volumétrico de gas de combustión de bajo poder calorífico.

Para una operación opcional de un gas y de una instalación de turbina de vapor con un gas de síntesis de un equipo de carburación o de un combustible secundario o sustitutivo, el quemador, en la cámara de combustión asociada a la turbina de gas, debe ser diseñado como un quemador de dos o más combustibles, el cual, de acuerdo a la necesidad, pueda admitir tanto el gas de síntesis como también 45 el combustible secundario, por ejemplo gas natural o fueloil. El respectivo combustible, en este caso, es suministrado mediante un paso de combustible diseñado propiamente de forma constructiva en el quemador de la zona de combustión.

En la solicitud EP 1 277 920 A1 se muestra un método para operar un quemador de una turbina de gas, así como una instalación de energía eléctrica basada en carburación integrada por carbono. En 50 este método para operar el quemador, un combustible fósil es carburado y el combustible fósil carburado es suministrado como gas de síntesis al quemador asociado a la turbina de gas para la combustión. De este modo, el gas de síntesis es distribuido en un primer flujo parcial y en un segundo flujo parcial y los flujos parciales son suministrados al quemador respectivamente de forma separada. A través de este modo de operación con dos flujos parciales de gas de síntesis, es posible un 55 funcionamiento escalonado del gas de síntesis, el cual es apropiado para la carga de la turbina de gas.

Junto con la temperatura estequiométrica de combustión del gas de síntesis, la calidad de la mezcla, entre el gas de síntesis y el aire de combustión en el frente de llamas, es un factor de influencia esencial para evitar picos de temperatura, y con ello, minimizar la producción térmica de óxido de nitrógeno. Una mezcla de gas de síntesis y de aire de combustión espacialmente buena es particularmente complicada debido al elevado flujo volumétrico en el gas de síntesis requerido y a la 5 gran extensión espacial correspondiente de la zona de mezcla. Por otra parte, una producción de óxido de nitrógeno lo más reducida posible, debido a la protección del medio ambiente y a las directivas legales correspondientes para la emisión de contaminantes, es un requisito para la combustión, en especial para la combustión en la instalación de una turbina de gas de una central eléctrica. En el caso de una mezcla no homogénea de combustible y aire, resulta una distribución 10 determinada de temperaturas de las llamas en la zona de combustión. La temperatura máxima de una distribución semejante, de acuerdo a la mencionada relación exponencial de producción de óxido de nitrógeno y de la temperatura de las llamas, determina considerablemente la cantidad producida de óxido de nitrógeno no deseado

En base a esta problemática, es objeto de la presente invención mostrar un quemador para la 15 combustión de gases de bajo poder calorífico, en particular gas de síntesis, el cual produzca una cantidad reducida de óxido de nitrógeno. Es también objeto de la presente invención el mostrar un método para operar un quemador, donde tenga lugar la combustión de un gas de bajo poder calorífico.

Este objeto, orientado a un quemador, se alcanzará, conforme a la invención, a través de un quemador para la combustión de un gas de combustión de bajo poder calorífico, con un conducto de 20 aire que se extiende a lo largo de un eje del quemador para el suministro de aire de combustión y con un conducto de combustión que se encuentra diseñado para un flujo volumétrico elevado de gas de combustión de bajo poder calorífico, donde el conducto de combustión y el conducto de aire desembocan en una zona de mezcla, donde el conducto de aire presenta una zona de desembocadura directamente adyacente con respecto a la zona de mezcla en cuanto al flujo, se 25 proporciona un elemento de turbulencia para la generación de aire de combustión turbulento, y donde aguas arriba del elemento de turbulencia se encuentran dispuestos álabes torsionados en el conducto de aire.

La presente invención se basa, por tanto, en analizar el hecho de que en los quemadores conocidos para la combustión de gases de combustión de bajo poder calorífico, la producción de óxido de 30 nitrógeno es demasiado elevada debido a la mezcla insuficiente del gas de combustión de bajo poder calorífico con el aire de combustión en la zona de mezcla, teniendo en cuenta los venideros valores límites de contaminantes. A través de la incorporación de un elemento de turbulencia en el conducto de aire, el grado de turbulencia del flujo de la masa de aire se incrementa ya antes de la mezcla del aire de combustión con el gas de combustión de bajo poder calorífico. De este modo, en la presente 35 invención puede observarse que, dentro de este contexto, es de particular importancia el que se produzca un incremento del grado de turbulencia sólo a un nivel microscópico, es decir que deben ser evitadas esferas de turbulencia con zonas de retorno muy marcadas y, en particular, con componentes del flujo orientados aguas arriba, puesto que de...

1. Quemador (1) para la combustión de un gas de combustión (SG) de bajo poder calorífico, con un conducto de aire (2) que se extiende a lo largo de un eje del quemador (12) para el suministro de aire de combustión (10) y con un conducto de combustión (26) que se encuentra diseñado para un flujo volumétrico elevado de gas de combustión (SG) de bajo poder calorífico, donde el conducto de 5 combustión (26) y el conducto de aire (2) desembocan en una zona de mezcla (27), caracterizado porque el conducto de aire (2) presenta una zona de desembocadura (28) directamente adyacente con respecto a la zona de mezcla (27) en cuanto al flujo, se proporciona un elemento de turbulencia (4) para la generación de aire de combustión (10) turbulento, y donde aguas arriba del elemento de turbulencia (4) se encuentran dispuestos álabes torsionados (5) en el conducto de aire (2). 10

2. Quemador (1) conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque el conducto de aire (2) se encuentra diseñado como un conducto anular, el cual rodea concéntricamente al conducto de combustión (26).

3. Quemador (1) conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de turbulencia (4) presenta 15

a) un primer anillo de limitación (52) con un eje de simetría (59),

b) un segundo anillo de limitación (53) de mayor tamaño, cuyo punto central se sitúa en el eje de simetría (59),

c) una superficie de unión (56) que es atravesada por ambos anillos de limitación (52, 53), y

d) círculos (55a, 55b, 55c) que se sitúan a lo largo de la superficie de unión (56), cuyos 20 respectivos puntos centrales se sitúan en el eje de simetría (59), una pluralidad de elementos planos de desviación (51), los cuales, respectivamente, se encuentran inclinados con respecto a la normal de la superficie de unión (56).

4. Quemador (1) conforme a la reivindicación 3, caracterizado porque la superficie de unión (56) del elemento de turbulencia (4) representa menos de la mitad de la superficie del círculo rodeado por el 25 anillo de limitación (53).

5. Quemador (1) conforme a la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque los elementos desviadores (51) del elemento de turbulencia (4) asociados a un círculo (55a, 55b, 55c) son equidistantes entre ellos.

6. Quemador (1) conforme a la reivindicación 3, 4 ó 5, caracterizado porque cada elemento 30 desviador (51) del elemento de turbulencia (4) disminuye desde la superficie de unión (56) hacia un borde de salida (51b) para la generación de turbulencias, donde dicho elemento desviador presenta en particular una forma trapezoidal o triangular

7. Quemador (1) conforme a una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque los elementos desviadores (51) del elemento de turbulencia (4) asociados a un círculo (55a, 55b, 55c) se encuentran 35 inclinados en el mismo sentido.

8. Quemador (1) conforme la reivindicación 8, caracterizado porque los elementos desviadores (51) dispuestos en círculos (55a, 55b, 55c) mutuamente adyacentes del elemento de turbulencia (51) se encuentran inclinados en sentidos opuestos.

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