Horno de combustión y método de combustión que usa quemadores de requemado de oxicombustible.

Un método para reducir la formación de emisiones de óxidos de nitrógeno de la combustión de un combustiblefósil en un gas cargado de nitrógeno,

que comprende:

proporcionar un horno en el que combustible fósil es combustionado,

proporcionar una o más hileras de quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire,

proporcionar una hilera de quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno aguas abajo de losquemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire,

proporcionar una hilera de lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego aguas abajo de la hilera de quemadores(14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno,

suministrar a una o más hileras de quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire aire y un combustible fósil enuna estequiometría de menos de 1,0,

suministrar a los quemadores de requemado de encendido por oxígeno (14, 14a, 14b) un combustible fósil y unacorriente gaseosa que comprende al menos 90% de oxígeno,

caracterizado porque a los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno se les suministra elcombustible fósil y la corriente gaseosa que comprende al menos el 90% de oxígeno en cantidad suficiente paraproducir una estequiometría de requemado entre 0,35 y 0,65, y porque a la hilera de lumbreras (16, 16a, 16b) deaire de sobrefuego se la suministra aire suficiente para producir una estequiometría de combustión por encima de1,0 aguas abajo de las lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego.

Horno de combustión y método de combustión que usa quemadores de requemado de oxicombustible

Campo de la invención La presente invención se refiere en general a un método y aparato para combustionar un combustible fósil tal como carbón, y en particular a un método y un aparato nuevos y útiles para reducir la formación de óxidos de nitrógeno durante el proceso de combustión.

Antecedente de la invención La combustión de combustibles fósiles genera óxidos de nitrógeno, tales como NO y NO2, acumulativamente referidos como NOx. Las emisiones de NOx en la atmósfera son cada vez más un problema de salud y

medioambiental. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos ha determinado que la regulación de emisiones de NOx es necesaria y apropiada, creando por ello una necesidad urgente de desarrollar tecnologías de control de emisiones de NOx cada vez más eficientes.

En una cámara convencional de combustión de combustible fósil, se mezclan aire de combustión y un combustible fósil y se proporcionan a una llama principal dentro de un horno. El NOx, un subproducto de la combustión, se forma cuando se oxida el nitrógeno del combustible y/o el nitrógeno molecular del aire de combustión que se producen naturalmente.

El requemado de combustible es una tecnología capaz de reducir las emisiones de NOx. La tecnología incluye proporcionar una zona de requemado de combustión secundaria deficiente en oxígeno por encima de una zona de combustión principal rica en oxígeno. El combustible suplementario proporcionado a la zona de requemado genera radicales de hidrocarburo, aminas y especies ciánicas que reaccionan con productos de combustión principales entrantes para convertir NOx en N2. se puede proporcionar después aire adicional por lumbreras de aire de sobrefuego (OPA) , colocadas por encima de la zona de requemado, para quemar el combustible y gases combustibles restantes.

Las aplicaciones de requemado de combustible generalmente utilizan tecnología de recirculación de gases de escape (FGR) para reducir la emisión de NOx. El gas de escape procedente de aguas abajo de la caldera es recirculado por mediación de conductos de vuelta a la zona de combustión secundaria como un gas de transporte pobre en oxígeno, manteniendo por ello un entorno rico en combustible y mejorando la penetración de combustible y mezclándolo con los gases y productos de la zona de combustión principal. El enfriamiento, que resulta de utilizar gas de escape procedente de aguas abajo de la salida de la caldera como un gas de transporte, impide además la formación de NOx en la zona de requemado.

Las calderas y dispositivos de encendido por carbón pulverizado similares a este generalmente usan dos o tres tipos de corrientes gaseosas. La primera es la corriente de aire primaria, que constituye típicamente del 10 al 20% de la cantidad total de gas introducido en la cámara de combustión. El propósito principal del aire primario es transportar combustible (por ejemplo, carbón pulverizado) al quemador. El caudal se mantiene por lo tanto suficiente para logra la función de transporte de partícula. Basándose en este propósito primario, el gas de transporte no necesita 45 contener un oxidante, aunque el aire se usa generalmente debido al coste y la disponibilidad.

La corriente secundaria es generalmente una corriente de aire inyectada a nivel del quemador, alrededor o cerca de la mezcla combustible/aire primaria. El propósito primario de esta corriente es proporcionar oxidante al combustible para la combustión. Convencionalmente, esta corriente ha sido aire debido al coste y la disponibilidad.

Una tercera corriente gaseosa, generalmente usada en la aplicación de escalonamiento de aire es inyectada aguas abajo de los quemadores en una zona de combustión secundaria. Esta tercera corriente, generalmente inyectada a través de lumbrera de aire de sobrefuego (OFA) , ha sido convencionalmente aire debido al coste y a la disponibilidad. En la aplicación de escalonamiento de aire el uso de la lumbrera OFA ha mostrado reducir el NOx del

20 al 35%. El escalonamiento incluye generalmente accionar la zona de combustión principal rica en combustible, subestequiométrica en el intervalo de 0, 75 a 0, 95, y una segunda zona pobre en combustible, superestequiométrica en el intervalo de 1, 10 a 1, 25.

Una técnica de reducción de NOx adicional incluye inyectar aire y un combustible fósil suplementario por encima de una zona de combustión primaria generalmente rica en oxidante, relación estequiométrica de al menos 1, 0, para crear una zona de requemado localmente deficiente en oxidante. El combustible suplementario genera especies reactivas que impiden la producción de NOx. El combustible requemado generalmente se inyecta en una zona que tiene temperaturas de gas de escape de unos 1250º a unos 1650ºC (unos 2300º a unos 3000ºF) , y la eficacia de reducción de NOx ha sido mostrada para incrementar generalmente con un incremento en temperatura de inyección 65 y tiempo de permanencia de zona de requemado más largos. Las técnicas de requemado de combustible pueden resultar en una reducción de NOx superior al 60% dependiendo de los sistemas comerciales. Se puede introducir

después aire adicional por encima de la zona de requemado a través de lumbreras de aire de sobrefuego para quemar la materia combustible.

Una forma de reducir componentes reactivos de NOx usando un quemador de requemado se describe en la publicación de patente US 2006/0257800 A1 (Sarv) , que es considerada como la técnica anterior más cercana. El combustible es combustionado con O2 mediante quemadores de encendido por oxígeno en una zona de requemado rica en combustible aguas abajo desde una zona de combustión principal accionada de forma pobre en combustible con aire como el gas oxidante.

El documento US 6085674 divulga un horno de encendido por ciclón modificado para funcionar en un modo de combustión de tres etapas para minimizar emisiones de NOx. Las dos primeras etapas utilizan ambas un quemador de tipo ciclón, uno aguas abajo del otro, que funcionan en oxidación parcial en la que el oxidante es aire. Aguas abajo de los ciclones, y situados en la misma cara de pared, se proporciona aire de sobrefuego para completar la tercera etapa de combustión. El documento US 6085674 sin embargo está limitado por aire como el oxidante y así

por el efecto diluyente de nitrógeno contenido en aire. Existe una necesidad de eliminar la necesidad de usar aire como oxidante en cada etapa de una disposición de combustión por etapas.

El documento US 2003/0091948 divulga un método de combustión de horno en el que el caudal de aire de combustión en los quemadores es reducido y el oxidante es alimentado selectivamente a uno o más quemadores. El método parece sugerir que variando la concentración de oxígeno y combustible entre los quemadores de forma no uniforme, se puede lograr un mayor control del subproducto de combustión. El documento US 2003/0091948 sin embargo está limitado ya que ignora los beneficios de la combustión en múltiples etapas y enseña un medio de ajustar bien uno o más quemadores en lugar de una combustión de escalonamiento óptima para eliminar la formación de NOx. Existe la necesidad de proporcionar un medio para escalonar óptimamente la combustión en un horno multiquemadores para eliminar o reducir significativamente las emisiones de NOx.

Sumario de la invención Se definen en las reivindicaciones adjuntas los aspectos de la invención.

Brevemente, los ejemplos de la divulgación proporcionan procesos y equipo para combustión de combustible fósil en el que el subproducto NOx de combustiones es ampliamente reducido, eliminando potencialmente la necesidad de técnicas aguas abajo tal como SCR y SNCR.

En un ejemplo, se proporciona un método para reducir la formación de emisiones de óxidos de nitrógeno de la combustión de un combustible fósil en un gas cargado de nitrógeno. El método comprende los pasos de proporcionar un horno en el que el combustible fósil es combustionado, proporcionar múltiples hileras de quemadores de encendido por aire, proporcionar una hilera de quemadores de requemado de encendido por oxígeno aguas abajo de la última hilera de los quemadores de encendido por aire, proporcionar una hilera de lumbreras de aire de sobrefuego aguas abajo de la hilera de quemadores de requemado de encendido por oxígeno, suministrar a las múltiples hileras de quemadores de encendido por aire aire y un combustible fósil y una estequiometría de menos de 1, 0, suministrar a los quemadores de requemado de encendido por oxígeno un combustible fósil y una corriente gaseosa que comprende al menos 90% de oxígeno en cantidad suficiente... [Seguir leyendo]

1. Un método para reducir la formación de emisiones de óxidos de nitrógeno de la combustión de un combustible fósil en un gas cargado de nitrógeno, que comprende: 5 proporcionar un horno en el que combustible fósil es combustionado,

proporcionar una o más hileras de quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire,

proporcionar una hilera de quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno aguas abajo de los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire,

proporcionar una hilera de lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego aguas abajo de la hilera de quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno,

suministrar a una o más hileras de quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire aire y un combustible fósil en una estequiometría de menos de 1, 0,

suministrar a los quemadores de requemado de encendido por oxígeno (14, 14a, 14b) un combustible fósil y una corriente gaseosa que comprende al menos 90% de oxígeno,

caracterizado porque a los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno se les suministra el combustible fósil y la corriente gaseosa que comprende al menos el 90% de oxígeno en cantidad suficiente para producir una estequiometría de requemado entre 0, 35 y 0, 65, y porque a la hilera de lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego se la suministra aire suficiente para producir una estequiometría de combustión por encima de 1, 0 aguas abajo de las lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego.

2. El método de la reivindicación 1, que comprende además el paso de accionar el horno como una unidad de encendido de pared única, en la que los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire y los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno están situados en una única pared del horno y una lumbrera (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego está situada por encima de los quemadores de requemado de encendido por oxígeno.

3. El método de la reivindicación 1, que comprende además el paso de accionar el horno como una unidad de encendido de pared opuesta, en la que los quemadores de encendido por aire y los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno están situados en múltiples paredes del horno y una lumbrera (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego está situada por encima de los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno.

4. El método de la reivindicación 1, que comprende además el paso de accionar el horno como una unidad de encendido tangencial, en la que los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire y los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno están situados en un patrón de encendido tangencial y una lumbrera (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego está situada por encima de los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno.

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5. Un método para controlar emisiones de óxidos de nitrógeno que resultan de la combustión de un combustible fósil en una caldera doméstica, incluyendo el método el paso de escalonar la combustión para impedir la formación de precursores de óxidos de nitrógeno mediante:

proporcionar al menos dos hileras de quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire, suministrándose a cada uno de los quemadores aire y combustible fósil y combustionándose en una estequiometría de menos de 1, 0, y

proporcionar una hilera de lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego aguas abajo de la última hilera de al menos dos hileras de quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire;

comprendiendo el método además:

proporcionar un quemador (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno aguas abajo de los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire y aguas arriba de las lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego, y

proporcionar al quemador (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno un combustible fósil y una corriente gaseosa que comprende al menos 90% de oxígeno;

caracterizado por:

accionar el quemador (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno para producir una estequiometría de combustión de entre 0, 35 y 0, 65 en la salida del quemador (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno, y

proporcionar a las lumbreras (16, 16a, 16b) de aire de sobrefuego aire suficiente para crear una estequiometría de 5 combustión de más de 1, 0.

6. El método de reivindicación 5, que comprende además el paso de accionar el horno como una unidad de encendido de pared única, en el que los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire y los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno están situados en una única pared del horno.

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7. El método de reivindicación 5, que comprende además el paso de accionar el horno como una unidad de encendido de pared opuesta, en el que los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire y los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno están situados en múltiples paredes del horno.

8. El método de reivindicación 5, que comprende además el paso de accionar el horno como una unidad de encendido tangencial, en el que los quemadores (12, 12a, 12b) de encendido por aire y los quemadores (14, 14a, 14b) de requemado de encendido por oxígeno están situados en un patrón de encendido tangencial.