SISTEMA SEPARADO DE AIRE DE SOBRECOMBUSTION CON UN AJUSTE ELEVADO PARA LAS CALDERAS DE COMBUSTION CON CARBON PULVERIZADO.

Sistema separado de aire de sobrecombustión con un ajuste elevado para las calderas de combustión con carbón pulverizado.

Un horno (10) comprende una serie de compartimientos inferiores (18), que se extienden en una disposición vertical; por lo menos uno de los compartimientos inferiores (18) posee una o varias toberas de combustible (20), que de forma tangencial introducen el combustible hacia el interior de la cámara de combustión, con un desplazamiento en relación con una diagonal (DD), que pasa a través de las esquinas, entre sí opuestas, de la cámara de combustión. Por lo menos uno de los compartimientos inferiores (18) tiene una o varias toberas de aire (22), que introducen el aire de forma tangencial hacia el interior de la cámara de combustión, a lo largo de una dirección de desplazamiento que está desplazada de la diagonal (DD) y por el mismo lado de la dirección de desplazamiento de la combustión del combustible. El aire introducido tangencialmente y el combustible quemado de forma desplazada producen una bola de fuego de turbulencia (RB) dentro de la cámara de combustión. Por lo menos un compartimiento de sobrecombustión (24) posee por lo menos una tobera de aire (40) para la inyección de aire, en oposición a la bola de fuego de turbulencia (RB) y a lo largo de una opuesta dirección de desplazamiento, que está desplazada con respecto al otro lado de la diagonal (DD), y esto de tal manera que el aire inyectado pueda promover la evolución de la bola de fuego de turbulencia (RB) en un flujo ascendente.

Sistema separado de aire de sobrecombustión con un ajuste elevado para las calderas de combustión con carbón pulverizado.

Base de la invención La presente invención se refiere, de forma general, a un horno de combustión con un combustible fósil así como a un procedimiento para el funcionamiento de un horno de combustión de combustible fósil. Más concretamente, la presente invención se refiere a un horno de combustión con carbón pulverizado así como a un procedimiento para el funcionamiento de un tal horno de combustión de carbón pulverizado al objeto de controlar el flujo de los productos de combustión dentro del mismo.

Durante mucho tiempo, el combustible sólido pulverizado en suspensión ha sido quemado con éxito dentro de los hornos con unos métodos de combustión tangencial. La técnica de la combustión tangencial implica la introducción del combustible sólido pulverizado y del aire en un horno desde las cuatro esquinas del mismo, de tal manera que el combustible sólido pulverizado y el aire sean dirigidos tangencialmente a un círculo imaginario dentro del centro del horno. Este tipo de combustión tiene muchas ventajas, entre las cuales están una mezcla íntima del combustible sólido pulverizado con el aire; las condiciones de una llama estable; así como un prolongado tiempo de permanencia de los gases de combustión dentro de los hornos.

Es conocido que un acercamiento a una combustión por fases puede mejorar la reducción del óxido nítrico NOx dentro de un horno con combustión de combustible fósil como, por ejemplo, en un horno en el cual es quemado el carbón pulverizado. Un tal acercamiento a una combustión por fases puede comprender la reducción de la cantidad de aire introducida en una zona del quemador principal del horno, la cual es una región en la que el combustible

- como, por ejemplo, el carbón pulverizado - es inyectado, e introducir, en lugar de ello, unas mayores cantidades de aire por encima de la zona del quemador principal.

Durante los años, y según el anterior estado de la técnica, han sido efectuados distintos intentos en lo que se refiere a la necesidad de limitar las emisiones del óxido nítrico NOx, que dentro de los hornos se produce como consecuencia de la combustión de los combustibles fósiles. El punto focal de uno de estos intentos ha sido el desarrollo de los llamados sistemas de combustión bajos en NOx, apropiados para ser empleados en los hornos con combustión de combustibles fósiles. La Patente Núm. 5.020.454 de los Estados Unidos, con el titulo "Clustered Concentric Tangencial Firing System" (o sistema concéntrico agrupado de combustión tangencial) , concedida el 4 de Junio de 1991 a la misma Entidad que es también Solicitante de la presente Solicitud de Patente, revela un ejemplo de un sistema de combustión bajo en NOx de esta clase. Conforme a las enseñanzas de esta Patente Núm.

5.020.454 de los Estados Unidos, queda proporcionado un sistema concéntrico agrupado de una combustión tangencial, el cual comprende una caja de viento; una primera agrupación de toberas de combustible, dispuestas dentro de la caja de viento y operativas para inyectar el combustible de forma agrupada hacia el interior del horno con el fin de producir, de este modo, una primera zona rica en combustible dentro del horno; una segunda agrupación de toberas de combustible, dispuestas dentro de la caja de viento y operativas para inyectar el combustible de forma agrupada hacia el interior del horno, con el objeto de producir con ello una segunda zona rica en combustible dentro del horno; una tobera de aire desplazada o contrapuesta, que está dispuesta dentro de la caja de viento, y la misma es operativa para inyectar el aire desplazado hacia el interior del horno, de tal modo que este aire desplazado pueda ser dirigido - de forma alejada del combustible, que está siendo inyectado de una manera agrupada - hacia el interior del horno y contra las paredes del mismo; una tobera de aire de sobrecombustión - de un acoplamiento estrecho - está dispuesta dentro de la caja de viento, y esta tobera es operativa para inyectar un aire de sobrecombustión - estrechamente acoplado - hacia el interior; como asimismo comprende este sistema concéntrico agrupado de combustión tangencial una tobera de aire de sobrecombustión de tipo separado, que está dispuesta dentro de la caja de viento, y la misma es operativa para inyectar el aire de sobrecombustión separado hacia el interior del horno.

Otro ejemplo de un tal sistema de combustión bajo en NOx es el sistema, que constituye el objeto de la Patente Núm. 5.315.939 de los Estados Unidos, con el título de "Integrated Low NOx Tangencial Firing" (o Sistema de combustión tangencial integrado bajo en NOx) , concedida el 31 de Mayo de 1994 a la misma Entidad que es también Solicitante de la presente Solicitud de Patente. De acuerdo con las enseñanzas de esta Patente Núm. 5.315.939 de los Estados Unidos, es proporcionado un sistema integrado de combustión tangencial bajo en NOx, el cual comprende unos medios de suministro del combustible sólido pulverizado; unas puntas de tobera de fijación de la llama de combustible sólido pulverizado; unas toberas concéntricas de combustión; comprende el aire de sobrecombustión de un estrecho acoplamiento; como asimismo comprende este sistema el aire separado de sobrecombustión de fases múltiples; y el sistema, al ser empleado dentro de un horno de combustión de combustible sólido pulverizado, es capaz de limitar las emisiones de NOx del horno a menos de 0, 15 libra/millón BTU (Unidad

Térmica Británica) manteniendo, . no obstante, el índice de las cenizas volátiles del carbón a menos del 5% y las emisiones de CO a menos de 50 ppm.

Cada uno de los dos hornos de combustión tangencial, revelados en las dos Patentes anteriormente mencionadas, se aprovecha del conocimiento de que la formación del óxido nítrico NOx dentro de un horno con combustión tangencial puede con frecuencia ser reducida a un valor mínimo mediante un acertado control del aire, que es introducido por encima de la zona del quemador principal, la cual es rica en combustible, es decir, un control de la introducción del llamado aire de sobrecombustión. Un acertado control del aire de sobrecombustión en tales circunstancias está caracterizado por la introducción del aire de sobrecombustión de una manera, que asiste en la formación de la bola de fuego de turbulencia dentro del horno, al mismo tiempo que son sostenidas también las condiciones subestequiométricas dentro de la región del quemador principal. En relación con el sostenimiento de las condiciones subestequiométricas dentro de la zona del quemador principal, puede ser observado que cualquier incremento en el tiempo de permanencia del combustible dentro de la zona subestequiométrica del quemador principal - la cual es rica en combustible - favorecerá aún más la reducción en el óxido nítrico NOx.

Otro ejemplo de un sistema de combustión bajo en NOx es el sistema que constituye el objeto de la Patente Núm.

5.343.820 de los Estados Unidos, con el titulo "Advanced" Overfire System For NOx Control" (o Perfeccionado sistema de sobrecombustión para el control del NOx) , concedida el 6 de Septiembre de 1994 a la misma Entidad que es también la Solicitante de la presente Solicitud de Patente. Según las enseñanzas de la Patente Núm. 5.343.820 de los Estados Unidos, queda proporcionado un perfeccionado sistema de sobrecombustión para el control del NOx, el cual comprende unas elevaciones múltiples de los compartimientos de aire de sobrecombustión, las cuales consisten en una multitud de compartimientos de aire de sobrecombustión de un acoplamiento estrecho así como en una multitud de compartimientos separados del aire de sobrecombustión.

Otro ejemplo más de un sistema de combustión de este tipo es el sistema, que forma el objeto de la Patente Núm.

6.148.744 de los Estados Unidos, con el título "Coal Firing Furnace And Method Of Operating A Coal-Fired Furnace" (u Horno de combustión de carbón y procedimiento para el funcionamiento de un horno con combustión de carbón) , concedida el 21 de Noviembre de 2000 a la misma Entidad que es también la Solicitante de la presente Solicitud de Patente. Conforme a las enseñanzas de la Patente Núm. 6.148.744 de los Estados Unidos, es proporcionado un procedimiento para el funcionamiento de un horno con combustión de carbón pulverizado, con el fin de conseguir solamente una variación previamente determinada en las instantáneas velocidades verticales del flujo que sale de una cámara de combustión del horno que comprende, según una variante del mismo, una serie de compartimientos inferiores para introducir a través de los mismos - uno para el aire, otro para...

1. Horno de combustión de carbón pulverizado que comprende:

Una cámara de combustión con una boca de caldera; una zona de quemador, situada por debajo de la boca de caldera, así como cuatro esquinas, cada una de las cuales es esencialmente equidistante de cada una de las otras esquinas colindantes;

Una serie de compartimientos inferiores para la introducción - uno de aire, otro de combustible u otro de aire y de combustible - en la cámara de combustión; los compartimientos inferiores de esta serie se extienden, en una forma de disposición vertical, desde un compartimiento superior de los compartimientos inferiores hacia un compartimiento más bajo de estos mismos compartimientos inferiores;

Por lo menos una tobera de combustible para la introducción tangencial del combustible desde la serie de los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión, con un desplazamiento con respecto a una diagonal - que pasa a través de una pareja de las esquinas, entre si opuestas - de la cámara de combustión; por lo menos una tobera de combustible define un compartimiento superior de inyección de combustible, con una línea central a una altura Htot desde la boca de caldera;

Por lo menos una tobera de aire para la introducción tangencial del aire desde los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión y a lo largo de una dirección de desplazamiento - que está desplazada con respecto a la diagonal - hacia el mismo lado de la dirección de desplazamiento de la combustión del combustible; el aire de combustión tangencial procedente de los compartimientos inferiores es de una cantidad que es inferior a la cantidad necesaria para una combustión completa del combustible, de tal manera que el combustible y el aire quemados de forma desplazada puedan producir una bola de fuego de turbulencia dentro de la cámara de combustión; así como con

Una más elevada posición de sobrecombustión que posee una línea central así como por lo menos un compartimiento de sobrecombustión que comprende por lo menos una tobera de aire para la inyección del aire desde por lo menos un compartimiento de sobrecombustión, normalmente en oposición a la bola de fuego de turbulencia y por una opuesta dirección de desplazamiento, que está desplazada con respecto al otro lado de la diagonal, y esto de tal manera que el aire inyectado pueda favorecer la evolución de la bola de fuego de turbulencia dentro de un flujo ascendente, encontrándose la línea central de la más elevada posición de sobrecombustión situada a una altura Hsofa (separate overfiring air o aire de sobrecombustión separado) desde la línea central del compartimiento superior de inyección de combustible; en este caso, resulta que 0, 5 (Hsofa/Htot) 0, 9.

2. Horno conforme a la reivindicación 1) en el cual no está prevista ninguna posición de sobrecombustión situada entre la posición más elevada de sobrecombustión y el compartimiento superior de inyección de combustible.

3. Horno de combustión de carbón pulverizado que comprende:

Una cámara de combustión con una zona de quemador; cuatro esquinas y cuatro paredes que definen un eje que se extiende de forma vertical a través del centro de la zona de quemador y cada una de las esquinas es esencialmente equidistante de cada una de las otras esquinas colindantes;

Una serie de compartimientos inferiores para la introducción - uno de aire, otro de combustible u otro de aire y de combustible - en la cámara de combustión; los compartimientos inferiores de esta serie se extienden, en una forma de disposición vertical, desde un compartimiento superior de los compartimientos inferiores hacia un compartimiento más bajo de los compartimientos inferiores;

Por lo menos una tobera de combustible para la introducción tangencial del combustible desde la serie de los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión, con un desplazamiento con respecto a una diagonal - que pasa a través de una pareja de las esquinas, entre si opuestas - de la cámara de combustión;

Por lo menos una tobera de aire para la introducción tangencial del aire desde los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión y a lo largo de una dirección de desplazamiento - que está desplazada con respecto a la diagonal - hacia el mismo lado de la dirección del desplazamiento de la combustión del combustible; el aire de combustión tangencial procedente de los compartimientos inferiores es de una cantidad que es inferior a la cantidad necesaria para una combustión completa del combustible, de tal manera que el combustible y el aire quemados de forma desplazada puedan producir una bola de fuego de turbulencia dentro de la cámara de combustión;

Por lo menos un compartimiento de sobrecombustión para la inyección de aire hacia el interior de la cámara de combustión; por lo menos un compartimiento de sobrecombustión está situado a una distancia vertical desde el más elevado de los compartimientos inferiores, la cual es mayor que la distancia vertical entre uno cualquiera de los compartimientos inferiores y un compartimiento inferior colindante; así como con Por lo menos una tobera de aire de alta velocidad y por lo menos una tobera de aire de baja velocidad para la inyección del aire desde por lo menos compartimiento de sobrecombustión, normalmente en oposición a la bola de fuego de turbulencia y a lo largo de una opuesta dirección de desplazamiento que está desplazada hacia el otro lado de la diagonal y esto de tal manera que el aire inyectado pueda favorecer la evolución de la bola de fuego de turbulencia dentro de un flujo ascendente, con lo cual los chorros de aire de alta velocidad, procedentes de por lo menos una tobera de aire de alta velocidad, pueden penetrar hacia el eje e impiden así un núcleo rico en combustible por el centro de la caldera, mientras que los chorros de aire de baja velocidad, procedentes de por lo menos una tobera de aire de baja velocidad, limpian las paredes del horno e impiden así unas bolsas ricas en combustible en la cercanía de las paredes del horno.

4. Horno conforme a la reivindicación 3) en el cual por lo menos un compartimiento de sobrecombustión comprende un primer compartimiento de sobrecombustión así como un segundo compartimiento de sobrecombustión y por lo menos una tobera de aire de alta velocidad está dispuesta dentro del primer compartimiento de sobrecombustión, mientras que por lo menos una tobera de aire de baja velocidad está dispuesta dentro del segundo compartimiento de sobrecombustión.

5. Horno conforme a la reivindicación 4) en el cual tanto por lo menos una tobera de aire de alta velocidad como asimismo por lo menos una tobera de aire de baja velocidad comprenden cada una una zona libre; la zona libre de por lo menos una tobera de aire de baja velocidad es principalmente igual a tres veces la zona libre de por lo menos una tobera de aire de alta velocidad.

6. Horno conforme a la reivindicación 5) en el cual cada uno de los compartimientos de sobrecombustión comprende un flujo de aire; el flujo de aire del segundo compartimiento de sobrecombustión es principalmente igual al flujo de aire del primer compartimiento de sobrecombustión.

7. Horno conforme a la reivindicación 6) en el cual el segundo compartimiento de sobrecombustión comprende una multitud de paredes que definen un paso para el flujo, como asimismo comprende este compartimiento un amortiguador que está situado dentro del paso del flujo, y las paredes y el amortiguador definen un paso restringido para producir una caída en la presión dentro del paso del flujo.

8. Horno conforme a la reivindicación 4) en el cual cada uno de los compartimientos de sobrecombustión comprende un control independiente de guiñada.

9. Horno de combustión de carbón pulverizado que comprende:

Una cámara de combustión con una zona de quemador; cuatro esquinas y cuatro paredes que definen un eje que se extiende de forma vertical a través del centro de la zona de quemador y cada una de las esquinas es esencialmente equidistante de cada una de las otras esquinas colindantes;

Una serie de compartimientos inferiores para la introducción - uno de aire, otro de combustible u otro de aire y de combustible - en la cámara de combustión; los compartimientos de esta serie se extienden en una forma de disposición vertical y los mismos incluyen un primer compartimiento más alto de los compartimientos inferiores, un segundo compartimiento más bajo de los compartimientos inferiores así como un tercer compartimiento más bajo aún de los compartimientos inferiores; el primero y el tercero de los compartimientos inferiores comprenden cada uno por lo menos una tobera de combustible para la introducción tangencial del combustible hacia el interior de la cámara de combustión, con un desplazamiento en relación con una diagonal que pasa a través de una pareja de esquinas entre si opuestas de la cámara de combustión, mientras que el segundo de los compartimientos inferiores comprende un sub-compartimiento superior, un sub-compartimiento intermedio y un sub-compartimiento inferior así como una multitud de toberas de aire para la introducción tangencial del aire desde los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión, a lo largo de una dirección de desplazamiento - que está desplazada con respecto a la diagonal - hacia el mismo lado de la dirección de desplazamiento de la combustión del combustible, encontrándose una de las toberas de aire unida con cada uno de los sub-compartimientos, y el aire quemado tangencialmente desde los compartimientos inferiores lo es en una cantidad que es inferior a la cantidad necesaria para una combustión completa con el combustible, y esto de tal manera que el aire y el combustible quemados de forma desplazada puedan generar una bola de fuego de turbulencia dentro de la cámara de combustión; Por lo menos un compartimiento de sobrecombustión para la inyección de aire hacia el interior de la cámara de combustión; por lo menos un compartimiento de sobrecombustión está situado a una distancia vertical desde el más alto de los compartimiento inferiores, la cual es mayor que la distancia vertical entre uno cualquiera de los compartimientos inferiores y un compartimiento inferior colindante; así como con Por lo menos una tobera de aire para la inyección del aire desde por lo menos un compartimiento de sobrecombustión, normalmente en oposición a la bola de fuego de turbulencia y a lo largo de una opuesta dirección de desplazamiento que está desplazada hacia el otro lado de la diagonal, y esto de tal manera que el aire inyectado pueda favorecer la evolución de la bola de fuego de turbulencia dentro de un flujo ascendente.

10. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual cada uno de los sub-compartimientos comprende un respectivo amortiguador.

11. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual el sub-compartimiento intermedio comprende un amortiguador, mientras que los sub-compartimientos superior e inferior comprenden un amortiguador común.

12. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual el segundo compartimiento inferior comprende un control individual de inclinación.

13. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual cada uno de los sub-compartimientos comprende un respectivo control de guiñada.

14. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual uno de los sub-compartimientos tiene un desplazamiento en relación con la diagonal el cual es distinto del desplazamiento de los otros sub-compartimientos con respecto a la diagonal.

15. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual cada uno de los sub-compartimientos tiene un desplazamiento en relación con la diagonal el cual es distinto del desplazamiento de cada uno de los otros sub-compartimientos con respecto a la diagonal.

16. Horno conforme a la reivindicación 9) en el cual uno o dos de los sub-compartimientos comprenden por lo menos una tobera de combustible para la introducción tangencial del combustible hacia el interior de la cámara de combustión con un desplazamiento en relación con la diagonal.

17. Horno de combustión de carbón pulverizado que comprende:

Una cámara de combustión con una zona de quemador; cuatro esquinas y cuatro paredes que definen un eje que se extiende de forma vertical a través del centro de la zona de quemador y cada una de las esquinas es esencialmente equidistante de cada una de las otras esquinas colindantes;

Una serie de compartimientos inferiores para la introducción - uno de aire, otro de combustible u otro de aire y de combustible - en la cámara de combustión; los compartimientos inferiores de esta serie se extienden, en una forma de disposición vertical, desde un compartimiento superior de los compartimientos inferiores hacia un compartimiento más bajo de los compartimientos inferiores;

Una multitud de toberas de combustible para la combustión del combustible desde la serie de los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión; un compartimiento más bajo de los compartimientos inferiores tiene por lo menos una tobera de combustible que define el compartimiento de inyección de combustible más bajo, mientras que cada uno de los otros compartimientos inferiores comprende por lo menos una tobera de combustible que define un compartimiento de inyección de combustible superior, y las toberas de combustible de cada uno de los compartimientos de inyección de combustible superior queman el combustible de forma tangencial y en una dirección de desplazamiento que está desplazada en relación con un lado de una diagonal que pasa a través de una pareja de esquinas entre si opuestas de la cámara de combustión;

Por lo menos una tobera de aire para la introducción tangencial del aire desde los compartimientos inferiores hacia el interior de la cámara de combustión a lo largo de una dirección de desplazamiento que está desplazada en relación con la diagonal y hacia el mismo lado como la dirección de desplazamiento de quemar el combustible; el aire quemado de forma tangencial desde los compartimientos inferiores lo es en una cantidad que es inferior a la cantidad necesaria para una combustión completa con el combustible, de tal manera que el aire y el combustible quemados de forma desplazada puedan generar una bola de fuego rotatoria en una dirección de turbulencia dentro de la cámara de combustión;

Por lo menos un compartimiento de sobrecombustión para la inyección del aire hacia el interior de la cámara de combustión; por lo menos un compartimiento de sobrecombustión está situado a una distancia vertical del más elevado de los compartimientos inferiores, la cual es mayor que la distancia vertical entre uno cualquiera de los compartimientos inferiores y un compartimiento inferior colindante; así como con Por lo menos una tobera de aire para la inyección del aire desde por lo menos un compartimiento de sobrecombustión, normalmente en oposición a la bola de fuego rotatoria y a lo largo de una opuesta dirección de desplazamiento que está desplazada hacia el otro lado de la diagonal, y esto de tal manera que el aire pueda favorecer la evolución de la bola de fuego rotatoria dentro de un flujo ascendente;

En este caso, por lo menos una tobera de combustible del más bajo de los compartimientos de inyección de 10 combustible quema el combustible en el sentido vertical hacia abajo y en la opuesta dirección de desplazamiento.

18. Horno conforme a la reivindicación 17) en el cual por lo menos una tobera de combustible del más bajo de los compartimientos de inyección de combustible quema el combustible a 15 grados con respecto a la diagonal y en la opuesta dirección de desplazamiento.

19. Horno conforme a la reivindicación 17) en el cual el más bajo de los compartimientos de inyección de combustible comprende los controles de inclinación y de guiñada.

20. Horno conforme a la reivindicación 19) en el cual el más bajo de los compartimientos de inyección de 20 combustible es rotatorio a ± 15 grados de inclinación o a ± 15 grados de guiñada.