Quemador de combustible sólido pulverizado.

Un quemador (10) para quemar un combustible sólido, que comprende:

un primer conducto de oxidante que tiene un primer eje longitudinal, una primera entrada (22) de oxidante, yuna primera salida (24) de oxidante separada de la primera entrada (22) de oxidante, adaptado el primerconducto de oxidante para transmitir en un primer caudal una primera corriente (20) de un oxidante que entrapor la primera entrada (22) de oxidante y que sale por la primera salida (24) de oxidante, teniendo el oxidanteuna concentración de oxígeno superior al 21% en volumen;~

un conducto de combustible sólido que tiene un segundo eje longitudinal sustancialmente paralelo al primereje longitudinal, un orificio (40) de admisión, y un orificio (42) de escape separado del orificio (40) deadmisión, rodeando el conducto de combustible sólido el primer conducto de oxidante y formando, de estemodo, un primer anillo (16) entre el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible sólido,adaptado el primer anillo (16) para transmitir una mezcla de un gas de transporte y una pluralidad departículas del combustible sólido que entra por el orificio (40) de admisión y sale por el orificio (42) de escape;un segundo conducto de oxidante que tiene un tercer eje longitudinal sustancialmente paralelo al segundo ejelongitudinal, una segunda entrada (28) de oxidante, y una segunda salida (30) de oxidante separada de lasegunda entrada (28) de oxidante, rodeando el segundo conducto de oxidante el conducto de combustiblesólido y formando, de este modo, un segundo anillo (14) entre el conducto de combustible sólido y el segundoconducto de oxidante, adaptado el segundo anillo (14) para transmitir en un segundo caudal una segundacorriente (26) del oxidante o de otro oxidante que tenga una concentración de oxígeno superior al 21% envolumen, entrando dicha segunda corriente (26) por la segunda entrada (28) de oxidante y saliendo por lasegunda salida (30) de oxidante; y

un medio para segregar la mezcla, próxima al orificio (42) de escape, en una corriente (50) de fracción pobrede la mezcla adyacente al primer conducto de oxidante y una corriente (48) de fracción densa de la mezclaadyacente al conducto de combustible sólido, conteniendo la corriente (48) de fracción densa una primerarelación de masa entre el gas de transporte y el combustible sólido, y conteniendo la corriente (50) de fracciónpobre una segunda relación de masa entre el gas de transporte y el combustible sólido, siendo la segundarelación de masa mayor que la primera relación de masa,

en el que al menos una parte de la primera corriente (20) del oxidante, que sale por la primera salida (24) deoxidante, se combina durante la combustión con al menos una parte de la corriente (50) de fracción pobre,formando, de este modo, una zona de combustión interna adyacente al orificio (42) de escape, y

en el que al menos una parte de la segunda corriente (26) del oxidante o del otro oxidante, que sale por lasegunda salida (30) de oxidante, se combina durante la combustión con al menos una parte de la corriente(48) de fracción densa, formando, de este modo, una zona de combustión externa cerca de la zona decombustión interna, y en el que el medio para segregar la mezcla comprende un generador (44) deremolino dispuesto en el primer anillo (16) próximo al orificio (42) de escape; y un localizador (46) devórtice dispuesto en el primer anillo (16) en una ubicación entre el generador (44) de remolino y el orificio(42) de escape.

Quemador de combustible sólido pulverizado

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a quemadores de combustible y métodos para quemar combustibles sólidos con oxidantes, que incluyen, pero sin limitarse a, oxígeno y aire enriquecido con oxígeno, y en particular a dichos quemadores y métodos para quemar combustibles sólidos pulverizados para generar calor en hornos de fundición industriales para vidrio, materiales cerámicos, metales, etc.

Sin embargo, la invención no se limita al uso con estos hornos de fundición industriales. Los expertos en la materia reconocerán que los quemadores y métodos de la presente invención pueden usarse en muchas otras aplicaciones de calentamiento en procesos de tiro, que incluyen, pero sin limitarse a, hornos de cemento y generadores de vapor.

Se conocen bien los quemadores de combustible sólido y los métodos para quemar combustibles sólidos con oxidantes, tales como oxígeno y/o aire enriquecido con oxígeno. Se han desarrollado diversos tipos de dichos quemadores para industrias diferentes (por ejemplo, la fundición del vidrio) , que incluyen quemadores de oxicombustible que tienen pasos concéntricos o coaxiales para el suministro de combustible y oxígeno. Dichos quemadores se desvelan en las patentes de Estados Unidos números: 5.104.310 (Saltin) ; 5.743.723 (Iatrides, y col.) ; y 6.685.461 (Rio, y col.) . Otros quemadores de este tipo se enseñan en las patentes de Estados Unidos números:

3.894.834 (Estes) ; 4.797.087 (Gitman) ; 4.902.223 (Young) ; 4.928.605 (Suwa, y col.) ; 6.843.185 (Taylor) ; la publicación de la solicitud de patente de Estados Unidos número 2003/0075843 (Wunsche) ; y el documento FR 2 535 018.

Por ejemplo, la patente de Estados Unidos número 3.894.834 (Estes) desvela un quemador de oxi-combustible colocado axialmente dentro de un quemador de carbón/aire para ajustar la longitud de la llama y mantener la estabilidad.

La patente de Estados Unidos número 5.743.723 (latrides, y col.) desvela un quemador de oxi-combustible de tres tubos que comprende: una fuente de oxidante de al menos un 80% de oxígeno; un paso de oxidante externo y uno interno, cada uno conectado a la fuente de oxidante; un paso de conducción de combustible dispuesto entre los dos pasos de oxidante, y una válvula para regular el flujo entre los pasos de oxidante.

La patente de Estados Unidos número 6.685.461 (Rio, y col.) desvela un quemador similar al de latrides, y col. en la patente '723, pero con varias diferencias estructurales y de funcionamiento. Por ejemplo, el quemador está fijado a una baldosa del quemador, y una válvula de control está alojada en el quemador para ajustar el oxidante que fluye entre los dos tubos de oxidante. No se especifican límites para la concentración de oxígeno del oxidante.

La patente de Estados Unidos número 5.104.310 (Saltin) desvela un quemador de oxi-combustible con varias configuraciones, requiriendo cada una de ellas una tobera de oxígeno central conectada a una cámara de recepción de oxígeno (que es parte del quemador) , al menos una tobera de combustible separada radialmente de la tobera de oxígeno central, y al menos una tobera de oxígeno periférica a una mayor distancia radial de la tobera de oxígeno central (en relación con la tobera (s) de combustible) . Algunas variaciones incluyen una o más de las características siguientes, una parte del medio para suministrar combustible y oxígeno al quemador es una camisa de refrigeración para el quemador; una tobera (s) de oxígeno periférica de un diseño convergente-divergente; y una tobera de combustible que transmite solo combustible (es decir, ningún gas portador) .

Además de los quemadores de oxi-combustible analizados anteriormente, se han desarrollado muchos otros quemadores de combustible sólido para quemar carbón pulverizado y otros combustibles. Estos quemadores se desvelan en las patentes de Estados Unidos números: 4.497.263 (Vatsky, y col.) ; 5.090.339 (Okiura, y col.) ;

6.715.432 (Tsumura, y col.) , 6.752.620 (Heier, y col.) , 6.889.619 (Okazaki, y col.) ; y el documento JP 60-194208 (Takayuki Abe) .

Además, se han desarrollado diversos dispositivos para su uso con quemadores y hornos alimentados con carbón pulverizado, especialmente durante las operaciones de baja carga. Por ejemplo, la patente de Estados Unidos número 4.274.343 (Kokkinos) desvela un dispositivo para estabilizar la ignición de llamas alimentadas con carbón durante la operación de baja carga. La patente de Estados Unidos número 4.448.135 (Dougan, y col.) y la patente de Estados Unidos número 6.475.267 (Lehn) desvelan diferentes tipos de dichos dispositivos para su uso con quemadores.

Los quemadores y dispositivos analizados anteriormente han abordado diversos problemas en relación con los quemadores de combustible y los métodos para quemar combustibles sólidos. Sin embargo, muchos problemas permanecen, o no se han abordado de manera satisfactoria.

Por ejemplo, la técnica anterior no ha enseñado un quemador y un método para quemar un combustible sólido que logre satisfactoriamente y de manera simultánea una estabilidad consistente de la llama, una reducción mejorada, una ajustabilidad de las propiedades de la llama, y la capacidad para quemar combustibles sólidos de propiedades muy variables, en particular, combustibles sólidos tanto de alta como de baja volatilidad (incluyendo el coque de petróleo) .

Otros problemas que se producen con los quemadores de combustible sólido convencionales, especialmente en condiciones de reducción (es decir, cadencia de tiro reducida) , incluyen el debilitamiento del impulso axial de la llama del quemador, la pérdida de la estructura de llama coherente, y el acortamiento de la llama. En general, los quemadores de la técnica anterior no mantienen una longitud de la llama constante (o casi constante) sobre un régimen de funcionamiento completo.

Hay combustibles y/o aplicaciones de combustión para las que la combustión de oxígeno/combustible (denominado oxi-combustible) o la combustión de aire enriquecido con oxígeno/combustible proporcionan resultados superiores en relación con la combustión de aire/combustible. Aunque hay patentes de la técnica anterior que están relacionadas con la combustión de combustible sólido basada en oxígeno, [ (por ejemplo, la patente de Estados Unidos número 4.928.605 (Suwa, y col.) y la patente de Estados Unidos número 4.902.223 (Young) ], estas patentes no abordan satisfactoriamente y de forma exhaustiva los problemas mencionados anteriormente, mientras que también prestan atención a los desafíos distintivos de la combustión basada en oxígeno. Tales desafíos se refieren principalmente, pero no de manera exclusiva, a la alta temperatura generada por las llamas enriquecidas con oxígeno y el efecto potencialmente perjudicial que estas llamas pueden tener sobre los componentes del quemador y el horno. La protección de los componentes del quemador de la llama enriquecida con oxígeno de alta temperatura se logra a menudo mediante el uso de camisas de refrigeración por agua. Aunque estas camisas protegen nominalmente los componentes del quemador de muchos casos de daños por alta temperatura, las camisas añaden complejidad y costes a la operación, mientras que no mitigan una de las principales causas de daños por alta temperatura, que es el control de la distribución del flujo (es decir, los perfiles de flujo dentro de la tobera del quemador) y los patrones de mezcla de los reactivos. En el caso de la combustión de combustible sólido, un control inadecuado de la distribución del flujo del reactivo y la mezcla conduce no solo a daños por alta temperatura, sino también a la intromisión de partículas sólidas y la erosión posterior de los componentes del quemador y el horno.

En vista de estos y muchos otros problemas relacionados con los quemadores y los métodos para la combustión de combustibles sólidos con oxidantes de la técnica anterior, es deseable tener un quemador y un método para la combustión que superen las dificultades, problemas, limitaciones, desventajas y deficiencias de la técnica anterior para proporcionar unos resultados mejores y más ventajosos.

Es deseable además tener un quemador y un método de combustión para quemar un combustible sólido con un oxidante más eficaces.

Es deseable, todavía más adicionalmente, tener un quemador y un método para quemar un combustible sólido que logren una estabilidad consistente de la llama, una reducción mejorada, una ajustabilidad de las propiedades de la llama, y la capacidad para quemar combustibles sólidos de propiedades muy variables, en particular, combustibles sólidos tanto de alta como de baja volatilidad.

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1. Un quemador (10) para quemar un combustible sólido, que comprende:

un primer conducto de oxidante que tiene un primer eje longitudinal, una primera entrada (22) de oxidante, y una primera salida (24) de oxidante separada de la primera entrada (22) de oxidante, adaptado el primer conducto de oxidante para transmitir en un primer caudal una primera corriente (20) de un oxidante que entra por la primera entrada (22) de oxidante y que sale por la primera salida (24) de oxidante, teniendo el oxidante una concentración de oxígeno superior al 21% en volumen; un conducto de combustible sólido que tiene un segundo eje longitudinal sustancialmente paralelo al primer eje longitudinal, un orificio (40) de admisión, y un orificio (42) de escape separado del orificio (40) de admisión, rodeando el conducto de combustible sólido el primer conducto de oxidante y formando, de este modo, un primer anillo (16) entre el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible sólido, adaptado el primer anillo (16) para transmitir una mezcla de un gas de transporte y una pluralidad de partículas del combustible sólido que entra por el orificio (40) de admisión y sale por el orificio (42) de escape; un segundo conducto de oxidante que tiene un tercer eje longitudinal sustancialmente paralelo al segundo eje longitudinal, una segunda entrada (28) de oxidante, y una segunda salida (30) de oxidante separada de la segunda entrada (28) de oxidante, rodeando el segundo conducto de oxidante el conducto de combustible sólido y formando, de este modo, un segundo anillo (14) entre el conducto de combustible sólido y el segundo conducto de oxidante, adaptado el segundo anillo (14) para transmitir en un segundo caudal una segunda corriente (26) del oxidante o de otro oxidante que tenga una concentración de oxígeno superior al 21% en volumen, entrando dicha segunda corriente (26) por la segunda entrada (28) de oxidante y saliendo por la segunda salida (30) de oxidante; y un medio para segregar la mezcla, próxima al orificio (42) de escape, en una corriente (50) de fracción pobre de la mezcla adyacente al primer conducto de oxidante y una corriente (48) de fracción densa de la mezcla adyacente al conducto de combustible sólido, conteniendo la corriente (48) de fracción densa una primera relación de masa entre el gas de transporte y el combustible sólido, y conteniendo la corriente (50) de fracción pobre una segunda relación de masa entre el gas de transporte y el combustible sólido, siendo la segunda relación de masa mayor que la primera relación de masa, en el que al menos una parte de la primera corriente (20) del oxidante, que sale por la primera salida (24) de oxidante, se combina durante la combustión con al menos una parte de la corriente (50) de fracción pobre, formando, de este modo, una zona de combustión interna adyacente al orificio (42) de escape, y en el que al menos una parte de la segunda corriente (26) del oxidante o del otro oxidante, que sale por la segunda salida (30) de oxidante, se combina durante la combustión con al menos una parte de la corriente

(48) de fracción densa, formando, de este modo, una zona de combustión externa cerca de la zona de combustión interna, y en el que el medio para segregar la mezcla comprende un generador (44) de remolino dispuesto en el primer anillo (16) próximo al orificio (42) de escape; y un localizador (46) de vórtice dispuesto en el primer anillo (16) en una ubicación entre el generador (44) de remolino y el orificio

(42) de escape.

2. El quemador (10) de la reivindicación 1, que además comprende:

un conducto de gas auxiliar que tiene un cuarto eje longitudinal sustancialmente paralelo al tercer eje longitudinal, una entrada (34) de gas auxiliar, y una salida (36) de gas auxiliar separada de la entrada (34) de gas auxiliar, rodeando el conducto de gas auxiliar el segundo conducto de oxidante y formando, de este modo, un tercer anillo (18) entre el segundo conducto de oxidante y el conducto de gas auxiliar, adaptado el tercer anillo (18) para transmitir en un tercer caudal una corriente (32) de un gas auxiliar que entra por la entrada (34) de gas auxiliar y sale por la salida (36) de gas auxiliar.

3. El quemador (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un turbulenciador (84) dispuesto en el primer conducto de oxidante.

4. El quemador (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el localizador (46) de vórtice tiene un radio hidráulico menor que un primer radio hidráulico del primer anillo (16) .

5. El quemador (10) de la reivindicación 4, en el que la segregación de la mezcla se ajusta o aumentando o disminuyendo al menos uno de entre el radio hidráulico del localizador (46) de vórtice y la distancia desde el generador (44) de remolino al localizador (46) de vórtice.

6. El quemador (10) de la reivindicación 4 o 5, en el que el localizador (46) de vórtice tiene o álabes (52) de remolino

o álabes (54) enderezadores adaptados para entrar en contacto con al menos una de entre la corriente (50) de fracción pobre y la corriente (48) de fracción densa.

7. El quemador (10) de cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que el orificio (42) de escape del conducto de combustible sólido y una parte del localizador (46) de vórtice próxima al orificio (42) de escape forman un perfil de punta de tobera, y el perfil de punta de tobera se modifica mediante al menos una de entre una divergencia hacia

fuera del orificio (42) de escape y una convergencia hacia dentro de la parte del localizador (46) de vórtice próxima al orificio (42) de escape.

8. El quemador (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos uno de entre el primer caudal y el segundo caudal es variable.

9. El quemador (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible sólido son sustancialmente coaxiales.

10. El quemador (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos dos de entre el primer conducto de oxidante, el conducto de combustible sólido, y el segundo conducto de oxidante son coaxiales.

11. El quemador (10) de acuerdo con cualquiera de la reivindicaciones anteriores, en el que tanto el orificio (42) de escape como la primera salida (24) de oxidante son sustancialmente paralelos entre sí y, sustancialmente, en un primer plano sustancialmente perpendicular tanto al segundo eje longitudinal en el orificio (42) de escape como al primer eje longitudinal en la primera salida (24) de oxidante, y en el que una parte de la primera corriente (20) del oxidante entra inicialmente en contacto con una parte de la corriente (50) de fracción pobre de la mezcla aproximadamente en el primer plano.

12. El quemador (10) de la reivindicación 11, en el que una parte de la segunda corriente (26) del oxidante o del otro oxidante entra inicialmente en contacto con una parte de la corriente (48) de fracción densa de la mezcla aproximadamente en otro plano separado del primer plano.

13. Un método para quemar un combustible sólido, que comprende las etapas de:

proporcionar un primer conducto de oxidante que tiene un primer eje longitudinal, una primera entrada (22) de oxidante, y un primera salida (24) de oxidante separada de la primera entrada (22) de oxidante; transmitir a través del primer conducto de oxidante en un primer caudal una primera corriente (20) de un oxidante que tiene una concentración de oxígeno superior al 21% en volumen, entrando el primer oxidante por la primera entrada (22) de oxidante y saliendo por la primera salida (24) de oxidante; proporcionar un conducto de combustible sólido que tiene un segundo eje longitudinal sustancialmente paralelo al primer eje longitudinal, un orificio (40) de admisión, y un orificio (42) de escape separado del orificio (40) de admisión, rodeando el conducto de combustible sólido el primer conducto de oxidante y formando, de este modo, un primer anillo (16) entre el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible sólido; transmitir a través del primer anillo (16) una mezcla de un gas de transporte y una pluralidad de partículas del combustible sólido, entrando la mezcla por el orificio (40) de admisión y saliendo por el orificio (42) de escape; proporcionar un segundo conducto de oxidante que tiene un tercer eje longitudinal sustancialmente paralelo al segundo eje longitudinal, una segunda entrada (28) de oxidante, y una segunda salida (30) de oxidante separada de la segunda entrada (28) de oxidante, rodeando el segundo conducto de oxidante el conducto de combustible sólido y formando, de este modo, un segundo anillo (14) entre el conducto de combustible sólido y el segundo conducto de oxidante; transmitir a través del segundo anillo (14) en un segundo caudal una segunda corriente (26) del oxidante o de otro oxidante que tenga una concentración de oxígeno superior al 21% en volumen, entrando la segunda corriente (26) por la segunda entrada (28) de oxidante y saliendo por la segunda salida (30) de oxidante; segregar la mezcla, próxima al orificio (42) de escape, en una corriente (50) de fracción pobre de la mezcla adyacente al primer conducto de oxidante y una corriente (48) de fracción densa de la mezcla adyacente al conducto de combustible sólido, conteniendo la corriente (48) de fracción densa una primera relación de masa entre el gas de transporte y el combustible sólido, y conteniendo la corriente (50) de fracción pobre una segunda relación de masa entre el gas de transporte y el combustible sólido, siendo la segunda relación de masa mayor que la primera relación de masa; quemar al menos una parte de la primera corriente (20) del oxidante con al menos una parte de la corriente (50) de fracción pobre, formando, de este modo, una zona de combustión interna adyacente al orificio (42) de escape; y quemar al menos una parte de la segunda corriente (26) del oxidante o del otro oxidante con al menos una parte de la corriente (48) de fracción densa, formando, de este modo, una zona de combustión externa cerca de la zona de combustión interna.

14. El método de la reivindicación 13, que comprende las etapas adicionales de:

proporcionar un conducto de gas auxiliar que tiene un cuarto eje longitudinal sustancialmente paralelo al tercer eje longitudinal, una entrada (34) de gas auxiliar, y una salida (36) de gas auxiliar separada de la entrada (34) de gas auxiliar, rodeando el conducto de gas auxiliar el segundo conducto de oxidante y formando, de este modo, un tercer anillo (18) entre el segundo conducto de oxidante y el conducto de oxidante de gas auxiliar; transmitir a través del tercer anillo (18) en un tercer caudal una corriente (32) de un gas auxiliar que entra por la entrada (34) de gas auxiliar y que sale por la salida (36) de gas auxiliar.

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 13 y 14, en el que un turbulenciador (84) está dispuesto en el primer conducto de oxidante.

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en el que un generador (44) de remolino está dispuesto en el primer anillo próximo al orificio (42) de escape, y en el que un localizador (46) de vórtice está dispuesto en el primer anillo (16) a una distancia del generador (44) de remolino en una ubicación entre el generador (44) de remolino y el orificio (42) de escape, teniendo el localizador

(46) de vórtice un radio hidráulico menor que un primer radio hidráulico del primer anillo (16) .

17. El método de la reivindicación 16, en el que la segregación de la mezcla se ajusta o aumentando o disminuyendo al menos uno de entre el radio hidráulico del localizador (46) de vórtice y la distancia desde el generador (44) de remolino al localizador (46) de vórtice.

18. El método de la reivindicación 16 o 17, en el que el localizador (46) de vórtice tiene o álabes (52) de remolino o álabes (54) enderezadores adaptados para entrar en contacto con al menos una de entre la corriente (50) de fracción pobre y la corriente (48) de fracción densa.

19. El método de cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, en el que el orificio (42) de escape del conducto de combustible sólido y una parte del localizador (46) de vórtice próxima al orificio (42) de escape forman un perfil de punta de tobera, y el perfil de punta de tobera se modifica mediante al menos una de entre una divergencia hacia fuera del orificio (42) de escape y una convergencia hacia dentro de la parte del localizador (46) de vórtice próxima al orificio (42) de escape.

20. El método de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, en el que al menos uno de entre el primer caudal y el segundo caudal es variable.

21. El método de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 20, en el que el primer conducto de oxidante y el conducto de combustible sólido son sustancialmente coaxiales.

22. El método de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 21, en el que al menos dos de entre el primer conducto de oxidante, el conducto de combustible sólido, y el segundo conducto de oxidante son coaxiales.

23. El método de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 22, en el que tanto el orificio (42) de escape como la primera salida (24) de oxidante son sustancialmente paralelos entre sí y, sustancialmente, en un primer plano sustancialmente perpendicular tanto al segundo eje longitudinal en el orificio (42) de escape como al primer eje longitudinal en la primera salida (24) de oxidante, y en el que una parte de la primera corriente (20) del oxidante entra inicialmente en contacto con una parte de la corriente (50) de fracción pobre de la mezcla aproximadamente en el primer plano.

24. El método de la reivindicación 23, en el que una parte de la segunda corriente del oxidante o del otro oxidante entra inicialmente en contacto con una parte de la corriente (48) de fracción densa de la mezcla aproximadamente en otro plano separado del primer plano.