Procedimiento de combustión mixta en un horno de regeneradores.

Procedimiento de combustión en un horno equipado de medios de recuperación de energía y de quemadores,

enel cual:

- el calor de los humos de combustión se recupera alternativamente por una parte por los medios derecuperación de energía luego por la otra parte porlos medios de recuperación de energía,

- al menos una parte de los quemadores son quemadores aero-combustibles constituidos por al menos unconducto de aire bajo el cual o en el centro del cual se coloca al menos un inyector de un primercombustible, estando dicho inyector perpendicular a la pared del horno,

- se emplea alternativamente dos fases:

o una primera fase durante la cual solamente una parte de los medios de recuperación de energíafuncionan y solo funcionan los aero-quemadores susceptibles de dirigir sus llamas hacia dichosmedios de recuperación de energía en funcionamiento,

o una segunda fase durante la cual solamente la otra parte de los medios de recuperación deenergía funcionan y solo funcionan los aero-quemadores susceptibles de dirigir sus llamas haciadichos medios de recuperación de energía en funcionamiento,

caracterizado porque se coloca al menos un quemador oxi-combustible bajo el conducto de aire de al menos unquemador aero-combustible, incluyendo dicho quemador oxi-combustible inyectores de fluidos perpendiculares a lapared del horno y empleando un procedimiento de combustión escalonada de un segundo combustible y de un gasrico en oxígeno, siendo dicho procedimiento de combustión escalonada empleado de tal modo que se inyecta almenos un chorro del segundo combustible y al menos un chorro de gas rico en oxígeno, incluyendo el chorro de gasrico en oxígeno un chorro primario de gas rico en oxígeno y un chorro secundario de gas rico en oxígeno, siendo elchorro primario de gas rico en oxígeno inyectado en la proximidad del chorro del segundo combustible de tal manerapara generar una primera combustión incompleta, incluyendo también los gases procedentes de esta primeracombustión al menos una parte de segundo combustible, mientras que el chorro secundario de gas rico en oxígenose inyecta a una distancia I2 del chorro del segundo combustible que es superior a la distancia entre el chorro delsegundo combustible y el chorro primario de gas rico en oxígeno lo más próximo al chorro del segundo combustible,de tal manera para entrar en combustión con la parte del segundo combustible presente en los gases procedentesde la primera combustión, estando el chorro primario de gas rico en oxígeno dividido en al menos dos chorrosprimarios: al menos un primer chorro primario de gas rico en oxígeno que se inyecta en contacto con el chorro delsegundo combustible, y al menos un segundo chorro primario de gas rico en oxígeno inyectado a una distancia I1 delchorro del segundo combustible, siendo dicha distancia I2 superior a la distancia I1.

Procedimiento de combustión mixta en un horno de regeneradores La invención se refiere a un procedimiento de combustión en un horno equipado de medios de recuperación de energía.

Los hornos de regeneradores son hornos equipados de apilamientos de refractarios sobre sus lados laterales. Estos refractarios son intercambiadores de calor que permiten recuperar el calor de los humos de combustión que salen de los lados laterales del horno y transferir este calor al aire frío proporcionado al horno. Los refractarios de los regeneradores se calientan a muy altas temperaturas por los humos de combustión (del orden de 1300 a 1500°C) . En la práctica, los humos de combustión que salen por un lado del horno se ponen en contacto con los refractarios desde su parte superior hasta su parte inferior durante un ciclo generalmente de aproximadamente 20 minutos. Durante el ciclo siguiente, el aire frío de combustión destinado a alimentar los quemadores del horno se pone en contacto con los refractarios desde su parte inferior hasta su parte superior de tal manera que extraiga su calor. El aire de combustión se calienta entonces a una temperatura generalmente del orden de 1100 a 1300°C antes de ser introducido en la cámara de combustión del horno. Las corrientes de humo de combustión y de aire de combustión se invierten a cada ciclo de tal modo que cada cara de regenerador puede ser calentada alternativamente y utilizada para precalentar el aire de combustión. El precalentamiento del aire de combustión permite una combustión con aire con un elevado rendimiento energético. Para los hornos de recuperadores, el aire de combustión se calienta en continuo por intercambiadores metálicos alimentados en humos de combustión. Estos hornos de regeneradores funcionan con quemadores aero-combustible (o aero-quemadores) , es decir, quemadores cuyo comburente es el aire. Se habla también entonces de aero-combustión.

La duración de campaña de estos hornos es generalmente del orden de 10 a 15 años. Durante la campaña, el problema de base consiste en mantener la capacidad de producción del horno a pesar del desgaste creciente de los refractarios y de los regeneradores. Este problema se puede revelar incluso más crítico en caso de necesidad de aumento de producción más allá de la capacidad nominal del horno para poder responder a la evolución en el tiempo de las necesidades del mercado.

Con el fin de mantener o de aumentar la capacidad de producción de un horno de regeneradores existente, existen distintas soluciones. En primer lugar, es posible completar la calefacción eléctricamente colocando en sitio electrodos a través del suelo o de las paredes laterales de cuba del baño de vidrio en curso de fusión. Esta solución presenta la ventaja intrínseca de una gran flexibilidad (capacidad de producción que se puede aumentar de 10 a 15%) pero su empleo es delicado y no hay garantía de resultado ya que la elección de las distribuciones de potencia y de emplazamiento de los electrodos es empírica (no existe modelo preciso del efecto de los electrodos sobre el baño de vidrio fundido) . Es también difícil colocar electrodos en caliente (sobre todo si los emplazamientos no han estado previstos antes de la construcción del horno) . El coste de la inversión es elevado (transformadores) y el precio de la energía eléctrica significativamente más elevado que el de los combustibles fósiles tradicionalmente utilizados para la fusión del vidrio.

Otra solución consiste en convertir parcialmente la aero-combustión empleada en el horno de oxi-combustión (por oxi-combustión, se entiende una combustión con la ayuda de un comburente que comprende un gas oxigenado más rico en oxígeno que el aire) . La oxi-combustión puede ser empleada por el empleo de una de las siguientes tecnologías:

- la adición de oxi-quemadores (o quemadores oxi-combustible) a través de la bóveda del horno en zona fusión (se entiende por oxi-quemadores o quemadores oxi-combustible, los quemadores cuyo comburente es un gas oxigenado más rico en oxígeno que el aire) ,

- o la conversión parcial o total de aero-quemadores en oxi-combustión, la adición de oxi-quemadores a través de la pared del horno (patente de EE-UU- nº 2002/0152770) .

No obstante, estas dos soluciones presentan inconvenientes. La adición de oxi-quemadores a través de la bóveda del horno presenta dificultades intrínsecas al posicionamiento de quemadores oxígeno en bóveda: la colocación de este tipo de quemadores durante la campaña (perforación en bóveda) es delicada. Dificultades termomecánicas excesivas (a nivel de los bloques y punta de los quemadores (elevadas presión y temperatura) o de la propia bóveda (debilitamiento) ) puede inducir un desgaste más rápido de los materiales y de los equipos y, por lo tanto, defectos más numerosos en el vidrio. Se observa también un aumento de los despegues de polvo a partir de la capa de composición que cubre el baño de vidrio fundido en zona de fusión (llamas impactantes) y la perturbación del estado Redox del vidrio (mayor presencia de CO en contacto con el vidrio en zona de fusión) que puede causar defectos del vidrio.

En lo que se refiere a la conversión parcial o total de aero-quemadores a la oxi-combustión, se emplea sobre todo por la colocación de lanzas de oxígeno bajo un conducto de aire ajustando el caudal de aire caliente introducido por el conducto en cuestión o por adición de oxi-quemadores de cada lado del horno. Las limitaciones de esta conversión al oxígeno actualmente disponibles sobre los hornos de regeneradores son las siguientes:

- se observa un aumento significativo de las temperaturas de bóveda (+ 30 a 50°C) y de superestructura (en la proximidad de los sitios de empleo del oxígeno) potencialmente perjudicial al desgaste y a la resistencia del horno así como a la calidad del vidrio (defectos de tipo “piedras refractarias”) . Este inconveniente se señala especialmente en el caso de las conversiones parciales al oxígeno para las cuales se observa un aumento significativo de las temperaturas en raíz de llama (o incluso en el conducto) (combustión más rápida resultante de la cantidad de oxígeno mayor en la llama y del aumento de temperatura del aire precalentado en los regeneradores) .

- aumento insuficiente de la producción del horno (tirada) :

o ninguna garantía de aumento de tirada en caso de conversión parcial de puerto (acortamiento casi sistemático de llama perjudicial a la transferencia térmica al baño de vidrio seguido de un calentamiento excesivo en raíz y a una menos buena cobertura del baño de vidrio fundido por las llamas) ,

o aumento pequeño en el caso de quemadores oxi-combustibles añadidos de cada lado del horno, siendo este aumento limitado por el tamaño de las llamas oxígeno desarrolladas y la potencia máxima inyectable en la zona en cuestión

- riesgo de interacción negativa con las llamas procedentes de la aero-combustión:

o desviación de llamas perjudicial al desgaste de los refractarios y a la eficacia de la transferencia térmica a la carga,

o emisiones de Nox difícil de controlar (en kg de Nox/tonelada de vidrio fundido) ,

o aumento de las emisiones en caso de conversión parcial de puertos (llamas más calientes y más cortas) ,

o en el mejor caso, estabilización de las emisiones en caso de conversión total de un puerto (junto a un puerto aero) o en el caso de quemadores oxigeno añadidos sobre el horno en coexistencia con puertos aero.

o dificultad de colocación de quemadores oxigeno convencionales bajo el conducto de un puerto difícil, o incluso imposible de emplear industrialmente debido a la falta de espacio bajo el conducto de aire.

El objetivo de la presente invención es proponer un procedimiento que permite aumentar la capacidad (tirada y calidad de vidrio) de los hornos de regeneradores con la ayuda de una tecnología de oxi-combustión fácil de emplear.

Otro objetivo es proponer un procedimiento que permite aumentar la capacidad de los hornos de regeneradores con la ayuda de una tecnología de oxi-combustión apta para controlar mejor las emisiones Nox en los humos con respecto a las tecnologías existentes.

Otro objetivo es proponer un procedimiento que permite adaptar la combustión mixta aero- y oxi-combustible en hornos de regeneradores sin modificar el perfil de la llama aero-combustible.

Con este fin, la invención se refiere a un procedimiento de combustión en un horno equipado de medios de recuperación de energía y de quemadores, en el cual:

- el calor de los humos de combustión es recuperado alternativamente por una parte de los medios de recuperación de energía... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de combustión en un horno equipado de medios de recuperación de energía y de quemadores, en el cual:

- el calor de los humos de combustión se recupera alternativamente por una parte por los medios de recuperación de energía luego por la otra parte por los medios de recuperación de energía,

- al menos una parte de los quemadores son quemadores aero-combustibles constituidos por al menos un conducto de aire bajo el cual o en el centro del cual se coloca al menos un inyector de un primer combustible, estando dicho inyector perpendicular a la pared del horno,

- se emplea alternativamente dos fases:

o una primera fase durante la cual solamente una parte de los medios de recuperación de energía funcionan y solo funcionan los aero-quemadores susceptibles de dirigir sus llamas hacia dichos medios de recuperación de energía en funcionamiento,

o una segunda fase durante la cual solamente la otra parte de los medios de recuperación de energía funcionan y solo funcionan los aero-quemadores susceptibles de dirigir sus llamas hacia dichos medios de recuperación de energía en funcionamiento,

caracterizado porque se coloca al menos un quemador oxi-combustible bajo el conducto de aire de al menos un quemador aero-combustible, incluyendo dicho quemador oxi-combustible inyectores de fluidos perpendiculares a la pared del horno y empleando un procedimiento de combustión escalonada de un segundo combustible y de un gas rico en oxígeno, siendo dicho procedimiento de combustión escalonada empleado de tal modo que se inyecta al menos un chorro del segundo combustible y al menos un chorro de gas rico en oxígeno, incluyendo el chorro de gas rico en oxígeno un chorro primario de gas rico en oxígeno y un chorro secundario de gas rico en oxígeno, siendo el chorro primario de gas rico en oxígeno inyectado en la proximidad del chorro del segundo combustible de tal manera para generar una primera combustión incompleta, incluyendo también los gases procedentes de esta primera combustión al menos una parte de segundo combustible, mientras que el chorro secundario de gas rico en oxígeno se inyecta a una distancia I2 del chorro del segundo combustible que es superior a la distancia entre el chorro del segundo combustible y el chorro primario de gas rico en oxígeno lo más próximo al chorro del segundo combustible, de tal manera para entrar en combustión con la parte del segundo combustible presente en los gases procedentes de la primera combustión, estando el chorro primario de gas rico en oxígeno dividido en al menos dos chorros primarios: al menos un primer chorro primario de gas rico en oxígeno que se inyecta en contacto con el chorro del segundo combustible, y al menos un segundo chorro primario de gas rico en oxígeno inyectado a una distancia I1 del chorro del segundo combustible, siendo dicha distancia I2 superior a la distancia I1.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el horno es un horno de fusión en el cual los medios de recuperación de energía se colocan sobre los lados laterales y porque al menos un quemador oxicombustible se coloca bajo un conducto de aire situado en la zona de fusión del horno.

3. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el caudal de gas rico en oxígeno inyectado por el quemador oxi-combustible está comprendido entre 20 y 100% del caudal de gas rico en oxígeno y de aire inyectado por dicho quemador y el conducto de aire bajo el cual se coloca.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque, para cada quemador oxi-combustible colocado bajo el conducto de aire de un quemador aero-combustible en funcionamiento, el caudal de gas rico en oxígeno en el chorro de gas rico en oxígeno secundario representa de 70 a 80% de la cantidad total de gas rico en oxígeno inyectado por dicho quemador oxi-combustible.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque, para cada quemador oxi-combustible colocado bajo el conducto de aire de un quemador aero-combustible en funcionamiento, el caudal de gas rico en oxígeno en el chorro de gas rico en oxígeno secundario representa de 45 a 55% de la cantidad total de gas rico en oxígeno inyectado por dicho quemador oxi-combustible.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque solamente los quemadores oxi-combustibles colocados en frente de los medios de recuperación de energía que recuperan el calor de los humos de combustión funcionan.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque, para cada quemador oxi-combustible colocado bajo el conducto de aire de un quemador aero-combustible en paro, el caudal de gas rico en oxígeno en el chorro de gas rico en oxígeno secundario representa de 70 a 80% de la cantidad total de gas rico en oxígeno inyectado por dicho quemador oxi-combustible.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque, para cada quemador oxi-combustible colocado bajo el conducto de aire de un quemador aero-combustible en paro, el caudal de gas rico en oxígeno en el chorro de gas rico en oxígeno secundario representa de 45 a 55% de la cantidad total de gas rico en oxígeno inyectado por dicho quemador oxi-combustible.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la combustión empleada por los quemadores aero-combustibles es sub-estequiométrica y porque la combustión empleada por los quemadores oxi-combustibles es sobre-estequiométrica.

10. Horno que incluyen un sistema para el empleo de una combustión en dicho horno que incluye:

- al menos un quemador aero-combustible compuesto:

o de un conducto de aire (3) , y

o de al menos un inyector de combustible (4) colocado bajo o en el centro del conducto de aire (3) y perpendicular a la pared del horno, caracterizado porque el dicho sistema incluye también:

- al menos un quemador oxi-combustible colocado bajo el conducto de aire del quemador aero-combustible y compuesto de al menos un conjunto (5) de inyectores que incluyen:

o al menos un inyector de combustible,

o al menos un inyector de gas rico en oxígeno colocado de tal manera para inyectar dicho gas rico en oxígeno en contacto con el combustible inyectado por el inyector del quemador oxicombustible,

o al menos un inyector de gas rico en oxígeno colocado a una distancia I1 del inyector de combustible del quemador oxi-combustible,

o al menos un inyector de gas rico en oxígeno a una distancia I2 del inyector de combustible del quemador oxi-combustible, con I2 > I1, estando dichos inyectores del quemador oxi-combustible perpendiculares a la pared del horno.

11. Horno según la reivindicación 10, caracterizado porque el inyector (4) de primer combustible del quemador aerocombustible se coloca bajo el conducto de aire (3) y porque dicho inyector y los inyectores del quemador oxicombustible están dispuestos sensiblemente en el mismo plano horizontal.

12. Horno según la reivindicación 10 ú 11, caracterizado porque el quemador oxi-combustible se compone de dos conjuntos (5) de inyectores, estando dichos conjuntos (5) dispuestos simétricamente con respecto al centro del conducto de aire (3) bajo el cual se coloca el quemador.

13. Horno según la reivindicación 12, caracterizado porque se coloca al menos un inyector de combustible (4) del quemador aero-combustible entre los dos conjuntos (5) de inyectores del quemador oxi-combustible.

FIGURA 1

FIGURA 2

FIGURA 3