Método de combustión de un combustible de baja calidad.

Método de combustión de un combustible utilizando al menos un quemador industrial (115),

cuyo quemador (115) es alimentado con un combustible gaseoso de baja calidad y un oxidante, caracterizado por que dicho combustible tiene un valor de calentamiento inferior (LHV) de 8 MJ/Nm3 o menos y por que los productos de combustión derivados de la combustión del combustible con el oxidante son llevados primeramente a través de una primera etapa de intercambio de calor (150; 201), en la que se transfiere energía térmica de los productos de combustión al combustible, que así se precalienta, y por que los productos de combustión así enfriados son llevados seguidamente a través de una segunda etapa de intercambio de calor (151; 203), en la que se transfiere energía térmica de los productos de combustión enfriados al oxidante, el cual se precalienta así también.

Método de combustión de un combustible de baja calidad.

La presente invención se refiere a un método y un sistema de precalentamiento para la combustión de un combustible de baja calidad utilizando un quemador industrial. Más particularmente, la invención se refiere a una combustión de esta clase para calentar un horno industrial.

En las plantas en las que se utilizan hornos industriales para producir acero y otros metales se obtienen a menudo como subproductos diversos combustibles gaseosos de baja calidad. Un ejemplo es el llamado gas de tragante de altos hornos que se usan a menudo para la producción de acero. Otro ejemplo es el gas de escape de convertidores. Tales combustibles de baja calidad contienen típicamente una mezcla de sustancias que pueden comprender, por ejemplo, hidrocarburos, nitrógeno gaseoso, oxígeno gaseoso, hidrógeno gaseoso, monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor de agua. Debido a que la densidad de energía en tales combustibles es frecuentemente limitada, éstos se utilizan convencionalmente para procesos de baja temperatura tales como calefacción o producción de potencia. Como alternativa, pueden mezclarse formando combustibles que sean más densos en energía. También pueden quemarse hacia la atmósfera sin ninguna utilidad.

Dado que tales combustibles de baja calidad se producen frecuentemente con abundancia en, por ejemplo, las acerías y, por tanto, son relativamente baratos, sería deseable poder utilizarlos también en mayor grado en procesos de alta temperatura, tal como en hornos de calentamiento para materiales de acero, en donde normalmente se utilizan combustibles de calidad más alta.

Además, la utilización de un combustible de baja calidad que ya existe como subproducto de otro proceso industrial, en vez de utilizar un combustible fósil convencional externamente suministrado, disminuirá la huella de carbono de una planta.

Para poder utilizar combustibles de baja calidad en tales aplicaciones se ha propuesto, por ejemplo, en la patente sueca 553, 731 conmutar los suministros de combustible y oxidante en un quemador de aire existente y utilizar al mismo tiempo un combustible de baja calidad.

En la solicitud de patente norteamericana nº 12/440, 520 se describe un método para hacer uso del calor residual de un horno de calentamiento utilizando parte de los productos de combustión para precalentar el combustible, mientras que se utiliza otra partida de los productos de combustión para precalentar el oxidante.

Por otra parte, el documento JP57198913 describe un quemador que explota la energía térmica en los productos de combustión precalentando combustible de baja calidad y/o aire en un intercambiador de calor.

El documento US 2011/0059410 A1 describe un método y un sistema correspondiente según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 11, respectivamente.

La presente invención ofrece un suplemento o alternativa a las sugerencias anteriores para hacer posible la explotación de combustible de baja calidad en hornos de calentamiento. Además, la invención resuelve el problema de precalentar un oxidante utilizando productos de combustión, incluso cuando los productos de combustión que salen de la zona de combustión están muy calientes. Convencionalmente, tal precalentamiento ha sido problemático, ya que los productos de combustión calientes constituyen un riesgo para la seguridad si se rompe el equipo de precalentamiento y estos productos entran en contacto directo con el oxidante.

Por tanto, la invención se refiere a un método según la reivindicación 1.

La invención se refiere también a un sistema según la reivindicación 11.

En lo que sigue se describirá la invención con detalle haciendo referencia a realizaciones ejemplificadoras de la invención y a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista simplificada de un sistema de precalentamiento según la presente invención; y La figura 2 es una vista simplificada de una disposición de intercambiador de calor según la invención.

La figura 1 ilustra un horno industrial 110 hecho funcionar de acuerdo con la presente invención utilizando un sistema de precalentamiento 100, también de acuerdo con la invención. Preferiblemente, el horno industrial 110 es un horno de calentamiento para un material metálico, preferiblemente acero, y está concebido preferiblemente para mantener temperaturas de calentamiento en la atmósfera del horno de al menos aproximadamente 1000ºC, tal como para el recocido reiterado de productos de acero, más preferiblemente de al menos alrededor de 1200ºC, por ejemplo para el recalentamiento de productos de acero antes de su laminación en caliente.

Para calentar el horno 110 se utiliza al menos un quemador industrial 115 que está montado, o están montados, en

una pared del horno. Cada quemador 115 comprende al menos una de cada una de entre una abertura de suministro para combustible y una abertura de suministro para oxidante.

El oxidante puede ser aire, pero se prefiere que el contenido de oxígeno del oxidante sea superior a los del aire. Por tanto, según una realización preferida, el oxidante comprende al menos un 50% en peso de oxígeno, más preferiblemente al menos un 85% en peso de oxígeno. Aun más preferiblemente, el oxidante comprende al menos un 95% de oxígeno, tal como oxígeno industrialmente puro. La combustión con un oxidante que comprende altos niveles de oxígeno, en combinación con un combustible de baja calidad, produce un calentamiento especialmente eficiente en coste. Asimismo, el precalentamiento del presente tipo hace posible utilizar productos de combustión para precalentar incluso estos tipos de oxidantes de alto nivel de oxígeno sin que esto dé como resultado riesgos importantes para la seguridad de ninguna clase.

Según la invención, el quemador o quemadores 115 son hechos funcionar con un combustible gaseoso de baja calidad, tal como gas de tragante de un alto horno.

La Tabla 1 es una comparación de tasas típicas de constituyentes diferentes entre, por una parte, un combustible de calidad media, tal como gas de horno de coque, y, por otra parte, un combustible de baja calidad, tal como gas de tragante de un alto horno y gas de escape de un convertidor. Todos los valores se dan en porcentaje en volumen.

Tabla 1

N2 O2 H2 CO CO2 CH4 CmHn H2O

Gas de horno de coque 3, 5 0, 55 60 7, 5 2, 35 23, 5 2, 4 0, 2

Gas de tragante 52, 5 0, 55 2, 3 23, 5 20 - - 1, 15

Gas de convertidor 17, 2 0, 1 2, 5 64, 5 15, 6 - - 0, 1

La Tabla 2 es una comparación de valores de calentamiento inferiores (Lower Heating Values (LHV) ) para gas de horno de coque, gas de tragante de un alto horno y gas de escape de un convertidor.

Tabla 2

LHV (MJ/Nm3) LHV (MJ/kg)

Gas de horno de coque 17, 9 34

Gas de tragante 3, 2 2, 4

Gas de convertidor 8, 0 6, 0

Según la invención, el quemador o quemadores 115 son hechos funcionar con un combustible gaseoso cuyo LHV es igual o inferior a 8 MJ/Nm3. Sin embargo, se prefiere que el combustible gaseoso tenga un LHV de no más de 6 MJ/Nm3, más preferiblemente no más de 4 MJ/Nm3. El combustible puede comprender una cierta adición de otro combustible de calidad más alta en tanto el LHV de la mezcla total no exceda de dichos límites en términos de MJ/Nm3. En particular, los LHVs más bajos trabajan mejor en combinación con oxidantes que comprenden altos niveles de oxígeno. Un ejemplo de combustible preferido es una mezcla de gas de tragante y gas de escape de convertidor, los cuales se originan ambos en una instalación local de fabricación de acero que comprende un alto horno y un convertidor. Por razones de coste, se prefiere no mezclar combustible de alta calidad antes de la combustión, en particular no mezclar combustibles que tengan ellos mismos LHVs de más 8 MJ/Nm3, tal como ocurre, por ejemplo, con gas de horno de coque.

El quemador o quemadores 115 son provistos, a través de conductos 113, de combustible de baja calidad procedente de un medio de suministro de combustible 111 que recibe el combustible de baja calidad de una fuente de tal combustible de baja calidad. En la figura 1 se muestra como ejemplificación un alto horno simplificado 120 desde el cual se lleva gas de tragante, a través de una etapa de depuración de gas 121 y una red de tuberías, al medio de suministro 111. Sin embargo, se comprende que la fuente de combustible de baja calidad puede ser una fuente de gas de escape de convertidor o cualquier otra fuente adecuada de combustible de baja calidad distinta de la ejemplificada anteriormente.

Según una realización preferida, el combustible de baja calidad comprende al menos un 50% en... [Seguir leyendo]

1. Método de combustión de un combustible utilizando al menos un quemador industrial (115) , cuyo quemador (115) es alimentado con un combustible gaseoso de baja calidad y un oxidante, caracterizado por que dicho combustible tiene un valor de calentamiento inferior (LHV) de 8 MJ/Nm3 o menos y por que los productos de combustión derivados de la combustión del combustible con el oxidante son llevados primeramente a través de una primera etapa de intercambio de calor (150; 201) , en la que se transfiere energía térmica de los productos de combustión al combustible, que así se precalienta, y por que los productos de combustión así enfriados son llevados seguidamente a través de una segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) , en la que se transfiere energía térmica de los productos de combustión enfriados al oxidante, el cual se precalienta así también.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la reacción de combustión entre el oxidante y el combustible de baja calidad calienta un horno industrial (110) .

3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el combustible de baja calidad comprende al menos un 50% en peso de gas de tragante de un alto horno (121) .

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado por que se hace que el combustible de baja calidad proceda del funcionamiento de un alto horno (121) que se hace que esté dispuesto en la misma planta industrial que el quemador (115) .

5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el oxidante comprende al menos un 85% en peso de oxígeno.

6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) comprende un intercambiador de calor metálico del tipo de recuperador.

7. Método según la reivindicación 6, caracterizado por que en la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) se transporta el oxidante en uno o varios tubos metálicos (222) a través de una cámara por la que están destinados a circular los productos de combustión, cuyos tubos (222) están concebidos para separar el oxidante de los productos de combustión y transportar calor de los productos de combustión de la cámara al oxidante de los tubos citados (222) .

8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la temperatura de los productos de combustión a la entrada en la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) es de al menos 800ºC y por que la temperatura de los productos de combustión a la entrada en la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) es de menos de 400ºC.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está dispuesto un primer dispositivo (152) de suministro de aire ambiente para suministrar aire ambiente al flujo de productos de combustión aguas arriba de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) a fin de enfriar los productos de combustión antes de que entren en la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) , y por que el primer dispositivo (152) de suministro de aire está concebido para controlar la temperatura de los productos de combustión que entran en la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) en base a una temperatura medida de los productos de combustión aguas arriba de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) y/o una temperatura medida del combustible aguas abaja de la primera etapa intercambiadora de calor (150; 201) .

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado por que está dispuesto un segundo dispositivo (152) de suministro de aire ambiente para suministrar aire ambiente al flujo de productos de combustión aguas abajo de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) , pero aguas arriba de la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) , a fin de enfriar los productos de combustión antes de que entren en la segunda etapa de intercambio de calor (152; 203) , y por que el segundo dispositivo de suministro de aire (152) está concebido para controlar la temperatura de los productos de combustión que entran en la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) en base a una temperatura medida de los productos de combustión aguas arriba de la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) y/o una temperatura medida del oxidante aguas abajo de la segunda etapa intercambiadora de calor (151; 203) .

11. Sistema (100) para precalentar un combustible gaseoso de baja calidad y un oxidante y alimentar dicho combustible precalentado de baja calidad y dicho oxidante precalentado a al menos un quemador industrial (115) , en el que se quema el combustible con el oxidante para formar productos de combustión calientes, caracterizado por que dicho combustible tiene un valor de calentamiento inferior (LHV) de 8 MJ/Nm3 o menos, y por que el sistema

(100) comprende un primer dispositivo de intercambio de calor (150; 201) concebido para transferir calor de los productos de combustión calientes al combustible, el cual es así precalentado, y por que el sistema (100) comprende también un segundo intercambiador de calor (151; 203) concebido para transferir energía térmica de los productos de combustión que se han enfriado en la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) al oxidante, el cual es así

también precalentado.

12. Sistema (100) según la reivindicación 11, caracterizado por que el oxidante comprende al menos un 85% de oxígeno en peso.

13. Sistema (100) según la reivindicación 11 o 12, caracterizado por que la segunda etapa de intercambio de calor 5 (151; 203) comprende un intercambiador de calor metálico del tipo de recuperador.

14. Sistema (100) según la reivindicación 13, caracterizado por que en la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) se transporta el oxidante en uno o varios tubos metálicos (222) a través de una cámara por la cual están destinados a circular los productos de combustión, cuyos tubos (222) están concebidos para separar el oxidante de los productos de combustión y transportar calor de los productos de combustión de la cámara al oxidante de los tubos citados (222) .

15. Sistema (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 11-14, caracterizado por que está dispuesto un dispositivo (152) de suministro de aire ambiente para suministrar aire ambiente al flujo de productos de combustión aguas arriba de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) y al flujo de productos de combustión aguas abajo de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) , pero aguas arriba de la segunda etapa de intercambio 15 de calor (151; 203) , por que está o están dispuestos uno o varios sensores de temperatura (155, 156, 157, 158) para medir la temperatura de los gases de combustión aguas arriba de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) y/o aguas abajo de la primera etapa intercambiadora de calor (150; 201) y/o la temperatura del combustible aguas abajo de la primera etapa de intercambio de calor (150; 201) y/o la temperatura del oxidante aguas abajo de la segunda etapa de intercambio de calor (151; 203) , y por que está dispuesto un dispositivo de control (159) para controlar el flujo de aire ambiente proporcionado por el dispositivo (152) de suministro de aire ambiente en base a datos de medición de dicho al menos un sensor de temperatura (155, 156, 157, 158) .