Combustión mejorada con oxígeno con formación reducida de NOx.

Un método para quemar un combustible hidrocarbonado, que comprende alimentar a la región rica en combustible de la primera fase de combustión de la primera y segunda fases de combustión un combustible que contiene uno o más hidrocarburos nitrogenados y un oxidante gaseoso que tiene una concentración media de oxígeno mayor que 21% de oxígeno en volumen,

a una relación estequiométrica por debajo de un punto superior (A) en el que, si la fase funcionara con aire como único oxidante, se producirá la misma cantidad de NOx,

pero es por lo menos una relación estequiométrica inferior (B) en la que la cantidad de NOx formado por la combustión del citado combustible con el citado oxidante bajo condiciones idénticas es la citada misma cantidad,

y quemar el citado combustible con el citado oxidante gaseoso en la primera fase de combustión para producir productos de la combustión y combustible no quemado,

y caracterizado porque el método comprende además quemar el citado combustible no quemado, en la segunda fase de combustión con oxidante gaseoso adicional de modo que el contenido medio de oxígeno del oxidante alimentado a las citadas primera y segunda fases está en el intervalo de 20, 9-27, 4% de oxígeno en volumen, y eliminando calor suficiente procedente de los productos de la combustión y de combustible no quemado procedente de la primera fase para alcanzar una temperatura suficientemente baja para minimizar formación adicional de NOx en la segunda fase de combustión,

y porque la concentración media de oxígeno en el oxidante alimentado a la región rica en combustible es hasta 24, 8% en volumen.

Combustión mejorada con oxígeno con formación reducida de NOx

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la combustión de combustibles hidrocarbonados, particularmente carbón mineral.

Antecedentes de la invención

Los temas medioambientales están creciendo en los Estados Unidos y en todo el mundo originando presiones públicas y reguladoras crecientes para reducir emisiones contaminantes procedentes de calderas, incineradoras y hornos. Un contaminante de particular importancia es NOx (con esta fórmula se incluyen óxidos individuales de nitrógeno como, pero sin carácter limitativo, NO, NO2, N2O, N2O4 y mezclas de los mismos) , a los que se ha implicado en la lluvia ácida, ozono a ras de tierra y formación de partículas finas.

Hay disponible una serie de tecnologías para reducir las emisiones de NOx. Estas tecnologías se pueden dividir en dos clases principales, primarias y secundarias. Las tecnologías primarias minimizan o evitan la formación de NOx en la zona de combustión controlando el proceso de combustión. Las tecnologías secundarias usan productos químicos para reducir a nitrógeno molecular el NOx formado en la zona de combustión. La presente invención es una tecnología primaria de control.

En las tecnologías primarias de control, denominadas comúnmente de combustión escalonada, se controla cuidadosamente el mezclado del aire de combustión y el combustible para minimizar la formación de NOx. La formación de NOx a partir del nitrógeno del combustible se basa en una competencia entre la formación de NOx y la formación de N2 a partir de especies nitrogenadas presentes en los volátiles del combustible y de nitrógeno del carbón. Condiciones ricas en oxígeno llevan esta competencia hacia la formación de NOx. Condiciones ricas en combustible llevan las reacciones hacia la formación de N2.

Las estrategias primarias de control se aprovechan de este fenómeno controlando cuidadosamente el mezclado del aire y el combustible para formar una región rica en combustible y evitar la formación de NOx. Para reducir las emisiones de NOx, la región rica en combustible debe estar suficientemente caliente para controlar la cinética de la reducción de NOx. Sin embargo, se ha de transferir calor suficiente desde la primera fase rica en combustible a la carga calorífica del horno para evitar la formación térmica de NOx en la segunda fase.

Con mucho, el tipo más común de dispositivo primario de control es el quemador de NOx con poco oxígeno (LNB) . En este dispositivo, típicamente el aire se controla de modo aerodinámicamente escalonado para formar una zona rica en combustible seguida de una zona de combustión total. Este proceso de combustión se conoce, por ejemplo, por la patente de Estados Unidos número 4.388.062. Un LNB convencional incluye una primera zona, próxima al orificio de alimentación, que es controlada por aire primario y combustible y que es muy rica en combustible. En una segunda zona, el resto del aire secundario y aire terciario permite que el nitrógeno del combustible continúe siendo procesado químicamente formando N2 con la condición de que se controlen estrictamente las estequiometrías locales. En esta región se queman completamente los hidrocarburos y el carbón. Aunque el LNB es una manera poco costosa de reducir NOx, las versiones actualmente disponibles todavía no son capaces de conseguir límites de emisiones en regulaciones pendientes. Otros problemas son mayor contenido de carbono en las cenizas y menor estabilidad de la llama.

Los LNB representan una tecnología bastante madura y, como tales, se han discutido ampliamente en la bibliografía archivística y de patentes. Se han propuesto muchas ideas para aumentar la eficacia de los LNB minimizando efectos perjudiciales, como poca estabilidad de la llama y mayor contenido de carbono en las cenizas. De estas ideas, dos son particularmente importantes: precalentar el aire alimentado a la primera fase y convertir la cámara de combustión en cámara de ignición de fuel y oxígeno.

Tanto el precalentamiento del aire como la combustión de combustible-oxígeno aumentan la eficacia de una combustión escalonada por incrementar la temperatura en la zona primaria sin incrementar la relación estequiométrica. La combustión de combustible-oxígeno ofrece la ventaja adicional de tiempos de residencia más largos en la región rica en combustible, debido a flujos más bajos de gases, que se ha demostrado reducen las emisiones de NOx. Como se ha discutido anteriormente, una combustión escalonada usa una fase rica en combustible para favorecer la formación de N2 en lugar de NOx. Puesto que las reacciones que forman N2 se controlan cinéticamente, la temperatura y la concentración de radicales de hidrocarburos son críticas para reducir la formación de NOx. Por ejemplo, si la temperatura es alta y la concentración de radicales es baja, se incrementa la formación de NOx. Cuando la concentración de radicales es alta pero la temperatura es baja, como bajo condiciones intensamente escalonadas, se retarda la conversión de especies intermedias, como HCN, a N2. Cuando se añade aire para completar la combustión, las especies intermedias se oxidan formando NOx; por lo tanto se incrementa la formación de NOx. Sarofim et al. (“Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions During Combustion of Nitrogen bearing fuels”, 69ª reunión anual de la AIChE, Chicago, IL, noviembre de 1976) y otros han sugerido que se puede aumentar la cinética de la primera fase precalentando el aire de combustión a temperaturas ligeramente altas. Alternativamente, Kobayashi et al. (“NOx Emission Characteristics of Industrial Burners and Control Methods Under Oxygen Enriched Combustion Conditions”, 9ª conferencia de miembros de la International Flame Research Foundation, Noordwijkerhout, mayo de 1989) sugieren que usando oxígeno en lugar de aire para la combustión se podría incrementar también la cinética. En ambos casos, el resultado neto es que se incrementa la temperatura de los gases en la primera fase mientras que se mantiene igual la concentración de radicales, originando una formación menor de NOx. Además, el uso de precalentamiento del aire e ignición de combustible-oxígeno permite escalonar más intensamente la primera fase sin degradar la estabilidad de la llama. Esto permite una reducción aún mayor de la formación de NOx.

La ignición de combustible-oxígeno ofrece una ventaja adicional a los LNB. Timothy et al. [“Characteristics of Single Particle Coal Combustión”, 19ª simposio (internacional) sobre combustión, The Combustion Institute, 1983] describen que se reducen significativamente los tiempos de desvolatilización cuando se quema carbón en condiciones enriquecidas en oxígeno. Estos ensayos fueron ensayos de combustión de partículas simples realizados bajo condiciones muy pobres de combustible, que no proporcionan información sobre cuánto oxígeno se necesita para realizar estos ensayos bajo condiciones de combustión más realistas. Un rendimiento más alto de volátiles significa que se incrementa el contenido de combustible en la fase gaseosa en comparación con la línea de referencia, originando una fase más rica en combustible que inhibe la formación de NOx a partir de especies nitrogenadas volátiles. Además, los volátiles del combustible arden rápidamente y aseguran la llama al quemador, lo cual demuestra una formación menor de NOx. Un mayor rendimiento de volátiles origina también tiempos de combustión más cortos puesto que hay menos carbón remanente.

Aunque la técnica anterior describe varias mejoras elegantes de combustión escalonada y de LNB, varios problemas prácticos han limitado su aplicación. En primer lugar, precalentar el aire de combustión a los niveles requeridos para aumentar la cinética requiere varias modificaciones del sistema y de las tuberías de aire. Las secciones del calentador del aire y del economizador deben ser modificadas para permitir que el aire de entrada se caliente a temperaturas más altas, lo cual requiere modificaciones del resto de los componentes del circuito del vapor de agua. Las tuberías y toberas de distribución así como el propio quemador también deben ser modificadas para conducir el aire caliente. Todas estas modificaciones pueden ser costosas y tener un efecto negativo sobre el funcionamiento de la caldera.

La barrera primaria al uso de ignición de combustible-oxígeno en calderas ha sido el coste del oxígeno. Para que el uso de oxígeno sea económico, el ahorro de combustible... [Seguir leyendo]

1. Un método para quemar un combustible hidrocarbonado, que comprende alimentar a la región rica en combustible de la primera fase de combustión de la primera y segunda fases de combustión un combustible que contiene uno o más hidrocarburos nitrogenados y un oxidante gaseoso que tiene una concentración media de oxígeno mayor que 21% de oxígeno en volumen, a una relación estequiométrica por debajo de un punto superior (A) en el que, si la fase funcionara con aire como único oxidante, se producirá la misma cantidad de NOx,

pero es por lo menos una relación estequiométrica inferior (B) en la que la cantidad de NOx formado por la combustión del citado combustible con el citado oxidante bajo condiciones idénticas es la citada misma cantidad,

y quemar el citado combustible con el citado oxidante gaseoso en la primera fase de combustión para producir productos de la combustión y combustible no quemado,

y caracterizado porque el método comprende además quemar el citado combustible no quemado, en la segunda fase de combustión con oxidante gaseoso adicional de modo que el contenido medio de oxígeno del oxidante alimentado a las citadas primera y segunda fases está en el intervalo de 20, 9-27, 4% de oxígeno en volumen, y eliminando calor suficiente procedente de los productos de la combustión y de combustible no quemado procedente de la primera fase para alcanzar una temperatura suficientemente baja para minimizar formación adicional de NOx en la segunda fase de combustión,

y porque la concentración media de oxígeno en el oxidante alimentado a la región rica en combustible es hasta 24, 8% en volumen.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la concentración media de oxígeno en el oxidante alimentado a la región rica en combustible es hasta 21, 8% en volumen.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además calentar el oxidante antes de alimentarlo a la citada primera fase de combustión.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el citado combustible es carbón mineral.

5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que en la segunda fase de combustión se alimenta aire corriente abajo de la región rica en combustible para quemar combustible no quemado en ese aire alimentado corriente abajo de la región rica en combustible.