TOBERA ATOMIZADORA DE EMULSIONES, QUEMADOR Y PROCEDIMIENTO PARA APLICACIONES DE QUEMADORES DE OXÍGENO-COMBUSTIBLE.

Tobera atomizadora de emulsiones, quemador y procedimiento para aplicaciones de quemadores de oxígenocombustible Esta solicitud de patente reivindica la prioridad de la solicitud de patente de los Estados Unidos con N.º de serie 11/037664, presentada el 18 de enero de 2005. Campo de la invención La presente invención se refiere a toberas de combustible líquido para combustión a base de oxígeno y procedimientos de su uso para producir temperaturas elevadas en hornos de fusión industriales. Antecedentes de la invención El uso de toberas atomizadoras se conoce en la técnica, como se ilustra en las patentes de EE. UU. N.º 5.547.368, 5.567.141, 5.393.220 y 5.617.997. Como se describe en la patente de EE. UU. N.º 5.547.368, las toberas atomizadoras se usan en hornos de fusión industriales para productos tan diversos como metales, vidrio, materiales cerámicos y similares. Existen muchas maneras de atomizar combustibles líquidos en aplicaciones de combustión. Las toberas pueden agruparse en dos grandes grupos: a) Atomizadores a presión, donde se usa una presión de combustible líquido relativamente alta para conducir el flujo a través de un orificio pequeño, que divide el líquido en gotitas. Estos atomizadores son relativamente sencillos. No obstante, su margen de regulación es estrecho, siendo necesarios cambios de tobera para sistemas que tienen amplias variaciones en las necesidades de flujo. b) Atomizadores de fluido doble, donde se usa un gas atomizador para ayudar a la atomización del líquido. El gas atomizador suele introducirse a presiones más elevadas, mientras que el combustible líquido puede suministrarse a presiones menores. Este grupo de toberas puede dividirse además en: 1) De mezcla externa, donde el gas atomizador de alta velocidad se encuentra con el combustible líquido de velocidad menor en el exterior, dando como resultado la división del chorro de líquido, es decir, la atomización. Estas toberas suelen ser muy resistentes, aunque la forma de la llama y la calidad de la atomización son, en la mayoría de los casos inferiores a las óptimas, especialmente en aplicaciones de quemadores de oxígeno-combustible. Las llamas son bajas, estrechas y conducen a un suministro de calor no uniforme y a un sobrecalentamiento local. 2) De mezcla interna o emulsión, donde el gas atomizador y el combustible líquido se mezclan dentro de una cámara interna y la mezcla bifásica se expulsa después a través de un orificio de salida, provocando la división del líquido debido a la despresurización de la fase gaseosa intermezclada. Estas toberas producen una atomización excelente y controlable, una geometría de llama excelente y una transferencia de calor uniforme. Mientras que el uso de los atomizadores de mezcla interna está extendido en la combustión de aire-combustible, su uso en los quemadores de oxígeno-combustible se ha visto limitado debido a las preocupaciones por la refrigeración y los posibles problemas por retroceso de llama. Con quemadores no refrigerados con agua, el oxidante primario refrigera la tobera atomizadora. Para quemadores de aire-combustible en los que el oxidante primario es aire, la refrigeración se lleva a cabo debido al gran volumen de aire (el oxidante primario) que se necesita y se proporciona para la combustión total. Sin embargo, para quemadores de oxígeno-combustible, que son quemadores que utilizan un oxidante primario con una concentración de O2 mayor que el aire, la refrigeración de la tobera atomizadora mediante el reducido volumen de oxidante primario puede no ser satisfactoria. Por ejemplo, en el caso de un oxidante 100 % O2, si se proporciona la cantidad estequiométrica de oxígeno necesaria para la combustión, habrá aproximadamente un 80 % menos de volumen del oxidante primario disponible para refrigerar la tobera atomizadora que en los quemadores de aire-combustible. Además, los quemadores de oxígeno-combustible tiene temperaturas de llama mucho mayores. Por estas razones, se espera que las toberas atomizadores de quemadores de oxígenocombustible funcionen a temperaturas mucho mayores que las de quemadores de aire combustible. Las mayores temperaturas de las toberas de mezcla interna conducen a varios problemas potenciales: 1) Las temperaturas elevadas de las toberas pueden provocar la degradación química de los combustibles líquidos antes de su introducción en el horno. Más específicamente, para aceites combustibles, tales como aceites pesados con alto contenido en azufre y aceites con valores de residuos de carbono (CCR) altos (por ejemplo, aceites con niveles altos de asfaltenos), las altas temperaturas de las toberas pueden conducir al depósito interno de coque y al taponamiento de las toberas. Esto es una preocupación independientemente del gas atomizador que se use. 2) Adicionalmente, si se usa oxígeno como gas atomizador, las altas temperaturas de las toberas y el diseño 2 E05020516 09-01-2012   inadecuado de las toberas puede conducir al retroceso de llama y a un fallo catastrófico o fusión de la tobera. La presente invención enseña cómo evitar los problemas de funcionamiento anteriores mediante un diseño adecuado de las toberas. Sumario de la invención Esta invención proporciona un procedimiento para combustión de oxígeno-combustible, comprendiendo el procedimiento: introducir un combustible líquido en una cámara de emulsión a través de un conducto de combustible líquido que tenga un diámetro eficaz; introducir un gas atomizador en dicha cámara de emulsión a través de al menos un conducto de gas atomizador; mezclar dicho combustible líquido y dicho gas atomizador en dicha cámara de emulsión para crear una mezcla de emulsión que tenga un tiempo de residencia medio en dicha cámara de emulsión de 500 a 800 µs, teniendo dicha mezcla de emulsión una velocidad de mezcla de emulsión menor o igual a 12 m/s; y descargar dicha mezcla de emulsión a través de un orificio de forma generalmente rectangular en una corriente oxidante enriquecida en oxígeno. En otra realización de esta invención se proporciona una tobera para combustión de oxígeno-combustible que comprende: un conducto de combustible líquido que tiene un diámetro eficaz; una cámara de emulsión que tiene una longitud que es 2 veces o menos de 2 veces dicho diámetro eficaz, estando dispuesto dicho conducto de combustible líquido para introducir un combustible líquido en dicha cámara de emulsión; al menos un conducto de gas atomizador para introducir gas atomizador en dicha cámara de emulsión; en la que dicho diámetro eficaz es desde 1,27 hasta 12,7 mm. En otra realización de la invención se proporciona un quemador para combustión de oxígeno-combustible que comprende la tobera mencionada anteriormente y un medio para proporcionar una corriente oxidante enriquecida en oxígeno. Breve descripción de varias vistas de los dibujos La Figura 1a es una sección transversal longitudinal de una primera y una segunda realización de una tobera de la presente invención. La Figura 1b es una vista en sección transversal de la cara terminal frontal de la tobera mostrada en la Figura 1a. La Figura 2 es una sección transversal a través de A-A de la Figura 1a que muestra una primera realización de la presente invención. La Figura 3 es una sección transversal a través de A-A de la Figura 1a que muestra una segunda realización de la presente invención. La Figura 4 muestra un quemador de oxígeno-combustible que incorpora la tobera de la presente invención. La Figura 5a es una sección transversal longitudinal de una tercera realización de una tobera de la presente invención. La Figura 5b es una vista en sección transversal de la cara terminal frontal de la tobera mostrada en la Figura 5a. Descripción detallada de la invención Los "quemadores de oxígeno-combustible" son quemadores que utilizan un oxidante primario que tiene una concentración de O2 mayor que el aire. Un "oxidante enriquecido en oxígeno" se define como un fluido que tiene más del 30 % de O2 en volumen, por ejemplo, aire enriquecido en oxígeno. Otro oxidante enriquecido en oxígeno puede tener más del 50 % o más del 85 % de oxígeno en volumen. El "gas atomizador" puede ser aire, oxígeno, oxidante enriquecido en oxígeno, gas natural, propano, nitrógeno, dióxido de carbono, hidrógeno o una mezcla de dos o más de estos gases. En una realización el gas atomizador es oxidante enriquecido en oxígeno. Los "combustibles líquidos" para la tobera incluyen aceites combustibles tales como aceite destilado N.º 1, aceite combustible destilado N.º 2, combustible diésel, queroseno, aceite combustible N.º 4, aceite residual N.º 5, aceite combustible residual N.º 6, aceite combustible de tipo Bunker-C y otros conocidos por los expertos en la técnica. La presente invención es una tobera del tipo de mezcla interna. Como se muestra en la Figura 1a y la Figura... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para combustión de oxígeno-combustible, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: introducir un combustible líquido en una cámara de emulsión a través de un conducto de combustible líquido que tiene un diámetro eficaz, introducir un gas atomizador en dicha cámara de emulsión a través de al menos un conducto de gas atomizador; mezclar dicho combustible líquido y dicho gas atomizador en dicha cámara de emulsión para crear una mezcla de emulsión que tenga un tiempo de residencia medio en dicha cámara de emulsión de desde 500 hasta 800 µs, teniendo dicha mezcla de emulsión una velocidad de mezcla de emulsión menor que o igual a 12 m/s; y descargar dicha mezcla de emulsión a través de un orificio de forma generalmente rectangular en una corriente oxidante enriquecida en oxígeno. 2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha corriente oxidante enriquecida en oxígeno comprende más del 50 % de oxígeno en volumen. 3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho tiempo de residencia medio es desde 550 hasta 780 µs. 4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de introducción de combustible líquido es a una velocidad de desde 10 hasta 250 litros/hora y dicha etapa de introducción de un gas atomizador es a una velocidad de 1 a 20 metros cúbicos normales por hora. 5. Una tobera para combustión de oxígeno-combustible que comprende: un conducto de combustible líquido que tiene un diámetro eficaz; una cámara de emulsión que tiene una longitud que es 2 veces o menos de 2 veces dicho diámetro eficaz, estando dicho conducto de combustible líquido dispuesto para introducir un combustible líquido en dicho cámara de emulsión; al menos un conducto de gas atomizador para introducir gas atomizador en dicha cámara de emulsión; en el que dicha cámara de emulsión comprende un orificio de descarga de forma generalmente rectangular, caracterizado porque dicho diámetro eficaz es desde 1,27 hasta 12,7 mm. 6. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicha longitud de dicha cámara de emulsión es desde 0,5 hasta 2 veces mayor que dicho diámetro eficaz de dicho conducto de combustible líquido. 7. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicho orificio comprende una anchura desde 3 mm hasta 25,4 mm y una altura desde 0,75 mm a 7,62 mm. 8. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicho conducto de combustible líquido comprende una zona de salida y dicho orificio comprende una zona, y en la que dicha zona de salida dividida por dicho orificio es desde 0,1 hasta 2. 9. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicho conducto de combustible líquido comprende una zona de salida y dicho orificio comprende una zona, y en la que dicha zona de salida dividida por dicho orificio es desde 0,1 hasta 1,6. 10. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicho orificio comprende una anchura desde 4 mm hasta 20 mm y una altura desde 0,75 mm hasta 4,5 mm. 11. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicha cámara de emulsión comprende una porción que se estrecha. 12. La tobera de la reivindicación 8, en la que dicha cámara de emulsión comprende una porción que se estrecha. 13. La tobera de la reivindicación 5, en la que dicha cámara de emulsión se estrecha a lo largo de su longitud. 14. Un quemador para combustión de oxígeno-combustible que comprende una tobera para combustión de oxígenocombustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 13 y un medio para proporcionar una corriente enriquecida en oxígeno. 7 E05020516 09-01-2012   8 E05020516 09-01-2012   9 E05020516 09-01-2012   E05020516 09-01-2012   11 E05020516 09-01-2012