Disposición para la preparación de un combustible para combustión.

Disposición de quemador de premezcla que incluye un quemador, una cámara (8) de combustiónasociada con el quemador y en la que la combustión de un combustible va a tener lugar durante el uso de ladisposición así como medios (12) para suministrar combustible líquido a la disposición a través de un conducto (13,36) interno en el quemador para dicha combustión, calentándose las partes (11, 19) sólidas del cuerpo de quemadormediante dicha combustión durante el uso de la disposición, y estando ubicado dicho conducto interno dentro dedichas partes sólidas del cuerpo de quemador para recibir energía térmica evaporando dicho combustible líquidodesde estas partes de cuerpo, y en la que dicha disposición comprende medios (27) para transportar el combustiblevaporizado a la cámara de combustión para tomar parte en la combustión, caracterizada porque dicho conducto (13)interno tiene al menos una parte que sigue una trayectoria en espiral hacia dentro con respecto a un eje longitudinaldel quemador y ese remolino se proporciona al combustible evaporado y al aire mediante un generador de remolinodispuesto aguas arriba la cámara de combustión.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2006/065353.

Solicitante: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: WITTELSBACHERPLATZ 2 80333 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: NILSSON, ULF, Senior,Peter,Dr.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F23D11/44 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F23 APARATOS DE COMBUSTION; PROCESOS DE COMBUSTION.F23D QUEMADORES.F23D 11/00 Quemadores que emplean una pulverización directa de líquido en gotitas o líquido vaporizado en el interior del lugar de la combustión. › Dispositivos de precalentamiento; Dispositivos de vaporización.
  • F23N1/00 F23 […] › F23N REGULACION O CONTROL DE LA COMBUSTION (dispositivos de control especialmente adaptados para aparatos de combustión en los cuales la combustión tiene lugar en un lecho fluidificado de combustible u otras partículas F23C 10/28; dispositivos de control sensibles a ciertas condiciones para regular la combustión en estufas con hogares abiertos para combustibles sólidos F24B 1/187). › Regulación del suministro de combustible.
  • F23R3/32 F23 […] › F23R ELABORACION DE PRODUCTOS DE COMBUSTION A ALTA PRESION O GRAN VELOCIDAD, p. ej. CAMARAS DE COMBUSTION DE TURBINAS DE GAS (aparatos de lecho fluidificado de combustible especialmente adaptados para funcionar a presiones superatmosféricas F23C 10/16). › F23R 3/00 Cámaras de combustión continua que emplean combustibles líquidos o gaseosos. › tubulares.

PDF original: ES-2394519_T3.pdf

 

Disposición para la preparación de un combustible para combustión.

Fragmento de la descripción:

Disposición para la preparación de un combustible para combustión

Campo técnico de la invención y técnica anterior

La presente invención se refiere a una disposición de quemador de premezcla que incluye un quemador, una cámara de combustión asociada con el quemador y en la que la combustión de un combustible va a tener lugar durante el uso de la disposición así como medios para suministrar combustible líquido a la disposición a través de un conducto interno en el quemador para dicha combustión, calentándose las partes sólidas del cuerpo de quemador mediante dicha combustión durante el uso de la disposición.

Esta disposición puede diseñarse para la preparación de un combustible para combustión en un quemador en diversas aplicaciones de calefacción, por ejemplo para producir vapor y agua caliente, tal como en tipos diferentes de calderas usadas en industrias de transformación o plantas de calefacción centralizada. Una disposición de este tipo se usan también en motores de turbina de gas, y esta aplicación particular de la invención se comentará principalmente a continuación en el presente documento para dilucidar la invención y los problemas que van a resolverse de ese modo pero sin restringir de ninguna manera el alcance de la invención.

En común para todos los quemadores de este tipo existe la demanda de las autoridades medioambientales de emisiones cada vez más bajas de NOx principalmente. El factor clave para obtener bajas emisiones de NOx y otros contaminantes es obtener una distribución y evaporación suficientes de dicho combustible líquido en el proceso de combustión evitando puntos calientes que dan como resultado emisiones más altas de NOx así como puntos con combustión a temperaturas demasiado bajas que dan como resultado altas emisiones de CO. La tarea principal de una disposición para la preparación de un combustible tal como se define en la introducción es por tanto proporcionar una distribución suficientemente uniforme del combustible mediante la evaporación del mismo antes de que el combustible se mezcle con aire/oxidante. Sin embargo, en algunos casos puede aceptarse también una distribución no uniforme “definida” o “controlada” en la que una compensación NOx/reducción sería una posible solución.

Se han elegido hasta ahora maneras diferentes para obtener esto. Se ha inyectado agua o vapor en combinación con el combustible líquido en particular para limitar la temperatura de la llama y como un efecto secundario para producir una pulverización más refinada. Otra manera de proceder ha sido utilizar una presión de alimentación mayor del combustible obteniendo una pulverización bien atomizada y aumentando el tiempo para el mezclado/evaporación desde el punto de inyección hasta la combustión. Una tercera vía ha sido convertir el combustible líquido en un gas en un reactor de separación usando vapor o combustión en entornos con poca cantidad de oxígeno.

La última alternativa mencionada parece ser la más atractiva desde el punto de vista de obtener bajas emisiones de NOx, ya que es más fácil obtener una mezcla homogénea de aire y combustible cuando comienza el proceso de mezclado mezclando aire y un gas como combustible que aire y combustible líquido atomizado que va a evaporarse. El combustible gaseoso caliente puede distribuirse mejor por toda la cantidad de aire, de manera que se obtiene una combustión de temperatura inferior y de ese modo, emisiones inferiores de NOx. Además, la posible combustión de combustible líquido no evaporado y/o no mezclado dará como resultado también emisiones más altas de NOx.

El documento de patente rusa 2106574 da a conocer dicha disposición en la que una tubería que contiene combustible líquido se expone a gases de combustión calientes en un espacio en el que la llama del quemador se ubica evaporando el combustible dentro de la tubería. El combustible gaseoso caliente se mezcla entonces con aire y transporta al interior de dicho espacio para la combustión. Una desventaja de esta disposición es que como consecuencia de las paredes de tubería delgadas, se obtendrán zonas muy calientes de la tubería, lo que implica un riesgo de coquización del combustible produciendo depósitos en las paredes internas de la tubería. Además, la tubería está desprotegida y expuesta a corrosión y desgaste, de manera que la vida útil de la misma estará limitada. Existe también el riesgo de aparición de vibraciones de la tubería que se extienden libremente en dicho espacio. Además, es difícil controlar el calentamiento y la evaporación del combustible líquido, ya que las paredes delgadas de la tubería son muy sensibles a cambios de las condiciones de funcionamiento del quemador.

El documento FR 2 254 244 describe también una disposición de quemador de premezcla de este tipo en la que se vaporiza un combustible líquido mediante la cabeza de la llama.

Sumario de la invención El objeto de la presente invención es proporcionar una disposición del tipo definido en la introducción que esté mejorada en al menos algún aspecto en comparación con tales disposiciones ya conocidas.

Este objeto se logra según la invención proporcionando una disposición según el objeto de la reivindicación 1.

Se ha caído en la cuenta de que el calor absorbido por tales partes sólidas del cuerpo de quemador durante la combustión da como resultado que la temperatura de estas partes sea muy adecuada para la evaporación de combustible líquido. Esto significa que el combustible líquido que requiere menos capacidad de bombeo para elevarlo a presión de inyección que el combustible gaseoso puede alimentarse al quemador y a pesar de ello, son posibles bajas emisiones de NOx gracias a la evaporación ventajosa del combustible líquido que pasa a través de dicho conducto interno. La conversión de combustible líquido en combustible gaseoso tiene lugar de manera eficaz cerca de la cámara de combustión. Tales partes sólidas del cuerpo de quemador no se calentarán hasta temperaturas tan altas como las que predominan cerca de la llama en la cámara de combustión reduciendo el riesgo de coquización del combustible dentro de dicho conducto interno, y las partes sólidas del cuerpo de quemador no serán tan sensibles a cambios en las condiciones de funcionamiento del quemador, de manera que los cambios de temperatura de las mismas serán lentos. Esto significa que el control del proceso de evaporación no será demasiado sensible y puede lograrse de manera fiable.

Otra ventaja de evaporar el combustible líquido en una parte integrada libre de aire del quemador es la eliminación de cualquier riesgo de incendio en los conductos de combustible.

Según la invención, dicho conducto interno se extiende según una trayectoria prolongada dentro de dichas partes de cuerpo de quemador sólidas aumentando de este modo el área superficial de las paredes del conducto para mejorar el intercambio de calor con el combustible. Una trayectoria de este tipo mejora la probabilidad de obtener la evaporación de todo el combustible líquido que fluye a través del conducto. La prolongación se obtiene disponiendo al menos una parte del conducto interno para que siga una trayectoria en espiral hacia dentro, con respecto al eje longitudinal del quemador.

Según otra realización de la invención, dicho cuerpo de quemador está diseñado para permitir que se separe en al menos dos partes en una ubicación que permite la inspección y/o limpieza de las superficies de dicho conducto interno. Según otra realización, al menos una de dichas al menos dos partes puede retirarse del resto del cuerpo de quemador para exponer dicho conducto interno para permitir la inspección y/o limpieza del mismo, y dichos medios de suministro están conectados a una parte del cuerpo de quemador distinta de dicha al menos una parte que puede retirarse. Esto significa que no tiene que realizarse la desconexión de dichos medios para suministrar combustible al quemador para permitir la inspección y/o limpieza de dicho conducto interno, simplificando el mantenimiento y haciéndolo menos costoso y haciendo posible llevarlo a cabo más frecuentemente.

Según otra realización de la invención, la disposición comprende un elemento de inserción que participa en la formación de dicho conducto interno y se inserta de manera que puede retirarse en dichas partes sólidas del cuerpo de quemador. Por consiguiente, la inspección y/o limpieza de dicho conducto interno puede facilitarse retirando toda la pieza de inserción del resto del quemador. Es posible también sustituir la pieza de inserción por otra durante dicho mantenimiento reduciendo de este modo el tiempo durante el que el quemador está fuera de servicio.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Disposición de quemador de premezcla que incluye un quemador, una cámara (8) de combustión asociada con el quemador y en la que la combustión de un combustible va a tener lugar durante el uso de la disposición así como medios (12) para suministrar combustible líquido a la disposición a través de un conducto (13, 36) interno en el quemador para dicha combustión, calentándose las partes (11, 19) sólidas del cuerpo de quemador mediante dicha combustión durante el uso de la disposición, y estando ubicado dicho conducto interno dentro de dichas partes sólidas del cuerpo de quemador para recibir energía térmica evaporando dicho combustible líquido desde estas partes de cuerpo, y en la que dicha disposición comprende medios (27) para transportar el combustible vaporizado a la cámara de combustión para tomar parte en la combustión, caracterizada porque dicho conducto (13) interno tiene al menos una parte que sigue una trayectoria en espiral hacia dentro con respecto a un eje longitudinal del quemador y ese remolino se proporciona al combustible evaporado y al aire mediante un generador de remolino dispuesto aguas arriba la cámara de combustión.

2. Disposición según la reivindicación 1, en la que dicho cuerpo de quemador está diseñado para permitir que se separe en al menos dos partes en una ubicación que permite la inspección y/o limpieza de las superficies de dicho conducto interno.

3. Disposición según la reivindicación 2, en la que al menos una (29, 30) de dichas al menos dos partes puede retirarse del resto del cuerpo de quemador para exponer dicho conducto (13) interno para permitir la inspección y/o limpieza del mismo, y dichos medios (12) de suministro están conectados a una parte del cuerpo de quemador distinta de dicha al menos una parte que puede retirarse.

4. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un elemento (29) de inserción que participa en la formación de dicho conducto (13) interno y se inserta de manera que puede retirarse en dichas partes sólidas del cuerpo de quemador.

5. Disposición según la reivindicación 4, en la que dichos medios (12) de suministro están conectados a dichas partes sólidas del cuerpo de quemador y a través de éstas a dicho conducto (13) interno para permitir de este modo la retirada de dicho elemento de inserción del cuerpo de quemador sin alterar la conexión de los medios de suministro al cuerpo de quemador.

6. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho conducto (13) interno está dentro de un elemento (11) de dicho cuerpo de quemador que forma mediante una cara (10) de extremo del mismo una base de un espacio (9) en el que se ubica la llama del quemador, extendiendo la llama desde la base hacia dicha cámara (8) de combustión.

7. Disposición según la reivindicación 6, en la que dichos medios de transporte comprenden una abertura (14) de dicho conducto interno en dicha cara (10) de extremo para inyectar mediante medios inyectores al menos una parte del combustible evaporado al interior de dicho espacio.

8. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, en la que dichos medios de transporte están adaptados para transportar al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto (13) interno a dicho espacio a través de las aberturas (17, 18) al interior de dicho espacio (9) en ubicaciones distribuidas circunferencialmente alrededor de dicho espacio.

9. Disposición según la reivindicación 8, en la que dichas aberturas (17) distribuidas circunferencialmente están dispuestas en dicha cara (10) de extremo.

10. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, que comprende elementos (18) de inyección de gas principal dispuestos adyacentes a dicho espacio (9) de quemador, y en la que dichos medios de transporte están adaptados para transportar al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto interno a dicho espacio a través de dichos elementos de inyección de gas principal.

11. Disposición según la reivindicación 10, en la que dichos elementos (18, 35) de inyección de gas principal están dispuestos distribuidos circunferencialmente alrededor de dicho espacio (9) de quemador y/o distribuidos axialmente a lo largo de dicho espacio de quemador.

12. Disposición según la reivindicación 10 ó 11, en la que dichos medios de transporte están adaptados para transportar al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto (13) interno como el único combustible gaseoso que entra en dicho espacio a través de dichos elementos (18, 35) de inyección de gas principal.

13. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, en la que dichos medios de transporte están adaptados para transportar al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto (13) interno como el suministro de combustible principal para dicha combustión a dicho espacio (9) de quemador usando

dichas aberturas distribuidas.

14. Disposición según la reivindicación 13, en la que dichos medios de transporte están adaptados para transportar al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto (13) interno como el único combustible para dicho suministro de combustible principal.

15. Disposición según las reivindicaciones 6-8, que comprende un sensor (32) de temperatura adaptado para medir la temperatura de dichas partes (11) de cuerpo de quemador sólidas en al menos una ubicación, medios (33) de válvula que comunican con dicho conducto interno, y una unidad (31) de control adaptada para, tras la puesta en marcha de la disposición, mantener dichos medios de válvula cerrados para inyectar sustancialmente la totalidad de dicho combustible que pasa a través de dicho conducto interno al interior de dicho espacio a través de dichos medios (14) inyectores, y, cuando recibe información de dicho sensor de que la temperatura ha superado un nivel de temperatura predeterminado, abrir dichos medios (33) de válvula para transportar al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto interno a través de dichas aberturas (17, 18, 35) distribuidas al interior de dicho espacio de quemador.

16. Disposición según la reivindicación 15, en la que dicha unidad (31) de control está adaptada para abrir dichos medios (33) de válvula cuando dicho sensor de temperatura detecta una temperatura por encima de 100ºC, preferiblemente d.

15. 400ºC.

17. Disposición según las reivindicaciones 10 ó 15, en la que dichos medios (33) de válvula están adaptados para abrir y cerrar la trayectoria de flujo de combustible a dichos elementos (17) de inyección de gas piloto, la disposición comprende medios (34) de válvula adicionales adaptados para comunicarse con dicho conducto interno, y dicha unidad (31) de control está adaptada para controlar dichos medios de válvula adicionales para que comiencen a abrirse a una cierta carga sobre la disposición y para adoptar un grado de apertura que varía con dicha carga de modo que transporta al menos una parte de dicho combustible evaporado en dicho conducto interno a dichos elementos (18, 35) de inyección de gas principal.

18. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para mezclar combustible y un oxidante en el quemador o cámara de combustión durante el uso de la disposición.

19. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho conducto (13, 36) interno tiene medios de mejora de transferencia de calor, tales como generadores de turbulencia, para acelerar dicha evaporación de dicho combustible líquido.

20. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos una parte de dicho conducto (13, 36) interno está dotada de una superficie diseñada para impedir la adhesión de componentes de combustible a la misma, tal como siendo lisa y/o teniendo un revestimiento repelente.

21. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está diseñada para formar parte de un motor de turbina de gas.


 

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