Sistema de quemador y método para mezclar una pluralidad de combustibles sólidos.

Inyector (100) de combustible que comprende: un orificio (103-1) de entrada primario para recibir uncombustible sólido primario;

un orificio (107) de entrada secundario para recibir un combustible sólidosecundario; una cámara (105) de mezclado dispuesta aguas abajo de los orificios de entrada primarios ysecundarios para mezclar el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario paraproporcionar un combustible sólido mezclado; y una boquilla (110) dispuesta aguas abajo de la cámara demezclado en un extremo distal del conjunto de quemador para proporcionar el combustible sólido mezcladoa una cámara de combustión, y caracterizado porque la cámara de mezclado incluye un elemento (111) demezclado

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2004/001531.

Solicitante: Siemens Energy, Inc.

Inventor/es: VATSKY, JOEL, CONN,Richard E.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F23C1/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F23 APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION.F23C PROCEDIMIENTOS O APARATOS DE COMBUSTION QUE UTILIZAN COMBUSTIBLES FLUIDOS O COMBUSTIBLES SOLIDOS SUSPENDIDOS EN AIRE (quemadores F23D). › Aparatos de combustión especialmente adaptados para quemar dos o más clases de combustible simultánea o alternativamente, siendo al menos uno de los combustibles un combustible fluido o un combustible sólido suspendido en aire (aparatos de combustión caracterizados por la combinación de dos o más cámaras de combustión F23C 6/00; encendedores con llama piloto F23Q 9/00).
  • F23D1/00 F23 […] › F23D QUEMADORES.Quemadores de combustibles pulverulentos.

PDF original: ES-2383362_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Sistema de quemador y método para mezclar una pluralidad de combustibles sólidos.

Campo técnico

Esta invención se refiere en general a sistemas de quemador de combustible sólido y, más particularmente, a sistemas de quemador que queman y coencienden una pluralidad de tipos de combustibles sólidos.

Antecedentes de la técnica

Un método de coencendido implica el uso de un combustible de biomasa - una fuente renovable - para proporcionar una solución de bajo coste para generar electricidad. Este método implica el coencendido de un combustible de biomasa (por ejemplo, serrín) como combustible secundario con carbón pulverizado (el combustible primario) en una caldera de carbón. Ventajosamente, las emisiones de CO2 a partir del quemado de un combustible de biomasa se consideran medioambientalmente benignas. Además, el encendido de combustibles de biomasa da como resultado una reducción de emisiones de SO2 debido al inferior contenido de azufre del combustible en comparación con el carbón. Finalmente, también puede conseguirse una reducción de las emisiones de NOx debido al inferior contenido de nitrógeno del combustible de biomasa, a lo que se añaden los efectos beneficiosos de las sustancias volátiles del combustible de biomasa durante las primeras fases de la combustión.

La reducción potencial de NOx a partir del coencendido de un combustible de biomasa con carbón pulverizado se debe a varios mecanismos. En primer lugar, el combustible de biomasa tiene un inferior contenido de nitrógeno combustible que el carbón pulverizado lo que da como resultado la formación de menos NOx a partir del nitrógeno unido al combustible. En segundo lugar, en una llama un combustible de biomasa libera sustancias volátiles a temperaturas inferiores que el carbón pulverizado. Una vez liberadas, estas sustancias volátiles pueden reaccionar entonces con oxígeno, inhibiendo así la oxidación del nitrógeno unido al combustible liberado a partir del carbón pulverizado. Finalmente, las sustancias volátiles también pueden forzar la reducción de NO formada en la llama a nitrógeno elemental.

Desgraciadamente, en calderas de carbón pulverizado, se han encontrado limitaciones relativas a la eficacia de usar un combustible de biomasa como medio para reducir las emisiones de NOx. Estas limitaciones son resultado de la técnica usada para coencender el combustible de biomasa con el carbón pulverizado.

Una técnica se define por ejemplo en el documento WO-01/25689, se inyecta por separado el combustible de biomasa y el carbón pulverizado en la zona de combustión. Por ejemplo, suele usarse una tubería para inyectar el combustible de biomasa usando aire de transporte en el centro del quemador rodeado por el carbón pulverizado. Suele colocarse un desviador a poca distancia de la cara de quemador con el fin de forzar el flujo de combustible de biomasa radialmente hacia fuera en un intento de crear una zona de recirculación en esta región. Como tal, el combustible de biomasa y el carbón pulverizado se mezclan en la zona de combustión, externa al inyector de combustible. Sin embargo, este método de coencendido es sólo parcialmente eficaz y no proporciona el medio más eficaz de utilizar los beneficios de la reducción de NOx de las sustancias volátiles en el combustible de biomasa. En particular, dado que el carbón pulverizado se inyecta por separado, las sustancias volátiles liberadas del combustible de biomasa en el núcleo de la llama pueden no ser capaces de eliminar el oxígeno y reducir de manera eficaz el NOx formado a partir del carbón pulverizado.

Otra técnica de coencendido, tal como se da a conocer en el documento WO-94/24486, implica moler la biomasa junto con carbón en un molino antes de que entren en la tubería de carbón para su distribución al quemador. En otras palabras, el combustible de biomasa se mezcla con el combustible primario en el molino. Sin embargo, el nivel de coencendido de biomasa se limita en gran medida por esta técnica de inyección debido al rendimiento del molino. Normalmente, sólo puede molerse aproximadamente el 5 por ciento de combustible de biomasa (en peso) en el molino junto con carbón sin provocar un grave deterioro en el rendimiento del molino.

Como tal, aunque pueden obtenerse algunos beneficios de reducción de NOx a partir del coencendido de un combustible de biomasa con carbón pulverizado en quemadores de pared, las técnicas existentes no parecen conseguir el nivel máximo posible de reducción de NOx.

Debe observarse que, hasta la fecha, la mayoría del combustible de biomasa coencendido en calderas de pared se ha conducido con quemadores de turbulencia que no estaban diseñados para funcionamiento con bajo NOx. Estos quemadores requieren estequiometrías controladas de manera precisa en el núcleo de la llama para conseguir emisiones de NOx bajas. Sin embargo, los combustibles de biomasa generalmente tienen un contenido de oxígeno significativamente más alto que los de carbón pulverizado y cuando se transportan al quemador con aire pueden provocar un aumento en la estequiometría en el núcleo de la llama y pueden aumentar la formación de NOx, negando así los efectos beneficiosos de la reducción de NOx del contenido muy volátil del combustible de biomasa.

Además, no se ha demostrado ninguna experiencia de campo hasta la fecha que implique el coencendido de un combustible de biomasa con carbón pulverizado en quemadores de bajo NOx actuales. Sin embargo, modelos informáticos predictivos de quemadores de bajo NOx actuales indican que el NOx de hecho puede aumentar en una llama de quemador de NOx bajo de escala completa cuando se coencienden, por ejemplo, serrín y carbón. Por tanto, las aplicaciones de quemador de NOx bajo actuales no maximizan los efectos beneficiosos del contenido muy volátil de combustibles de biomasa para la reducción de NOx, al tiempo que inhiben los efectos de su alto contenido de oxígeno en la formación de NOx.

En vista de lo anterior, existe la necesidad de mejorar las disposiciones de coencendido existentes que utilizan un combustible de biomasa para maximizar los efectos beneficiosos de la reducción de NOx.

Sin embargo, además de los combustibles de biomasa, también pueden usarse otros combustibles secundarios en un quemador de coencendido. El coque de petróleo es un residuo de refinería con un alto poder calorífico que es considerablemente inferior en precio al carbón para su uso como combustible en una caldera de vapor. El coque de petróleo, a diferencia del carbón, tiene un contenido volátil muy bajo lo que lo hace muy difícil de inflamar y quemar cuando se enciende en calderas no específicamente diseñadas para este combustible. Normalmente, el coque de petróleo se muele en un molino junto con el carbón y se alimenta al quemador a través de una tubería de carbón. El porcentaje de coque de petróleo que puede encenderse con el carbón se limita habitualmente a aproximadamente el 20 por ciento en peso, dado que niveles más altos darán como resultado problemas de estabilidad de llama debidos al bajo contenido volátil del coque de petróleo. Esta limitación se debe parcialmente al hecho de que el coque de petróleo es difícil de moler y generalmente no puede obtenerse una distribución de tamaños suficientemente finos cuando se mezcla con carbón y se muele en un molino diseñado para carbón. El coque de petróleo grueso no sólo da como resultado problemas de estabilidad de llama, sino que también conduce a un nivel alto de carbono no quemado (UBC) en la ceniza volante. De manera ideal, el coencendido de coque de petróleo con un carbón muy reactivo, muy volátil, tal como subbituminoso o lignito debería proporcionar una mejor estabilidad de llama que con un carbón bituminoso menos reactivo. Desgraciadamente, estos carbones normalmente también son difíciles de moler, por lo que suelen limitar por tanto el porcentaje de coque de petróleo que puede molerse con ellos en un molino.

Alternativamente, en lugar de moler el coque de petróleo junto con el combustible primario en un molino, la patente estadounidense n.o 6.101.959 publicada el 15 de agosto de 2000 de Bronicki et al. describe el uso de un mezclador para combinar un combustible secundario con un poder calorífico más alto que el combustible primario. Sin embargo, no hay ninguna descripción en esta patente de la estructura del mezclador o su efecto en los problemas de estabilidad de llama y UBC con respecto al coque de petróleo.

Como tal, aunque el coque de petróleo puede coencenderse con carbón en quemadores de pared, no se ha desarrollado un... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Inyector (100) de combustible que comprende: un orificio (103-1) de entrada primario para recibir un combustible sólido primario; un orificio (107) de entrada secundario para recibir un combustible sólido secundario; una cámara (105) de mezclado dispuesta aguas abajo de los orificios de entrada primarios y secundarios para mezclar el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario para proporcionar un combustible sólido mezclado; y una boquilla (110) dispuesta aguas abajo de la cámara de mezclado en un extremo distal del conjunto de quemador para proporcionar el combustible sólido mezclado a una cámara de combustión, y caracterizado porque la cámara de mezclado incluye un elemento (111) de mezclado

2. Inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que el elemento de mezclado es un elemento difusor.

3. Inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que el elemento de mezclado es un rotor.

4. Inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que la cámara de mezclado es una parte de un inyector de combustible.

5. Inyector de combustible según la reivindicación 4, en el que el inyector de combustible es de tipo voluta.

6. Inyector de combustible según la reivindicación 4, en el que el inyector de combustible es de tipo codo.

7. Inyector de combustible según la reivindicación 4, en el que el inyector de combustible incluye un rotor para mezclar íntimamente el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario.

8. Inyector de combustible según la reivindicación 4, en el que el inyector de combustible incluye un elemento difusor para mezclar íntimamente el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario.

9. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que el combustible sólido primario es carbón pulverizado.

10. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que el combustible sólido primario es coque de petróleo.

11. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que el combustible sólido primario es coque de petróleo.

12. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 1, en el que el combustible sólido secundario es un combustible de biomasa.

13. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 11, en el que el combustible de biomasa es coque presecado.

14. Inyector de combustible según la reivindicación 1, que comprende además al menos un cilindro alargado conectado al orificio de entrada primario o al orificio de entrada secundario; estando conectada la cámara de mezclado a el al menos un cilindro alargado.

15. Inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que al menos una de la primera entrada y la segunda entrada es una entrada de tipo voluta.

16. Inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que al menos una de la primera entrada y la segunda entrada son entradas de tipo codo.

17. Inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que el elemento de mezclado es un elemento difusor.

18. Inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que el elemento de mezclado es un rotor.

19. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que el combustible sólido primario es carbón pulverizado.

20. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que el combustible sólido primario es coque de petróleo.

21. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que el combustible sólido secundario es coque de petróleo.

22. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 21, en el que el combustible de biomasa está presecado.

23. Uso del inyector de combustible según la reivindicación 14, en el que el combustible sólido secundario es coque de petróleo.

24. Sistema de quemador de coencendido que comprende: un hogar; al menos una tubería (103-1) de alimentación primaria para proporcionar un combustible sólido primario; al menos una tubería (107) de alimentación secundaria para proporcionar un combustible sólido secundario; y al menos un inyector (100) de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, 14-18 que es contiguo al hogar.

25. Sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el conjunto de quemador incluye un inyector de combustible para mezclar el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario.

26. Sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 25, en el que el inyector de combustible es un inyector de combustible de tipo voluta.

27. Sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 25, en el que el inyector de combustible es un inyector de combustible de tipo codo.

28. Sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el elemento de mezclado es un elemento difusor.

29. Sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el elemento de mezclado es un rotor.

30. Uso del sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el combustible sólido primario es carbón pulverizado.

31. Uso del sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el combustible sólido primario es coque de petróleo.

32. Uso del sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el combustible sólido secundario es un combustible de biomasa.

33. Uso del sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 32, en el que el combustible de biomasa está presecado.

34. Uso del sistema de quemador de coencendido según la reivindicación 24, en el que el combustible sólido secundario es coque de petróleo.

35. Método para quemar una pluralidad de combustibles sólidos, comprendiendo el método: suministrar un combustible sólido primario a un inyector (100) de combustible, suministrar un combustible sólido secundario al inyector de combustible; mezclar el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario en el inyector de combustible hasta obtener un combustible mezclado homogéneo; proporcionar el combustible mezclado a un hogar; y hacer arder el combustible mezclado en el hogar, y caracterizado porque la etapa de mezclado incluye la etapa de mezclar el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario con un elemento (111) de mezclado.

36. Método según la reivindicación 35, en el que la etapa de mezclado mezcla íntimamente el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario entre sí.

37. Método según la reivindicación 35, en el que la etapa de mezclado incluye la etapa de usar un inyector de combustible para mezclar el combustible sólido primario y el combustible sólido secundario entre sí.

38. Método según la reivindicación 37, en el que el inyector de combustible es un inyector de combustible de tipo voluta.

39. Método según la reivindicación 37, en el que el inyector de combustible es un inyector de combustible de tipo codo.

40. Método según la reivindicación 35, en el que el combustible sólido primario es carbón pulverizado.

41. Inyector de combustible según la reivindicación 35, en el que el combustible sólido primario es coque de petróleo.

42. Método según la reivindicación 35, en el que el combustible sólido secundario es un combustible de biomasa.

43. Método según la reivindicación 35, en el que la etapa de suministrar el combustible sólido secundario incluye la etapa de presecar el combustible de biomasa.

44. Método según la reivindicación 43, en el que la etapa de presecar el combustible de biomasa se produce antes del transporte al conjunto de quemador.

45. Método según la reivindicación 42, en el que la etapa de presecar el combustible de biomasa incluye la etapa de usar recirculación de gas de combustión.

46. Método según la reivindicación 44, en el que la etapa de presecar el combustible de biomasa incluye la etapa de usar recirculación de gas de combustión con aire de templado.

47. Método según la reivindicación 35, en el que el combustible sólido secundario es coque de petróleo.

 

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