Medios de matriz para reducir el volumen de combustión.

Una caldera de generación de vapor, que comprende:

un horno de combustión (5) que tiene una pared deflectora (20) y una pluralidad de paredes del horno (10),

comprendiendo cada pared del horno (10) una pluralidad de tubos de vapor (6) en conexión fluida con un tambor de vapor (7) localizado aguas abajo de la cámara de combustión,

una primera entrada de oxidante para proporcionar un primer oxidante,

una entrada de combustible para proporcionar un combustible,

un primer medio de matriz (8) que comprende elementos metálicos esféricos para mezclar pasivamente el oxidante y el combustible, localizado en el lado opuesto de la pared deflectora (20) del tambor de vapor (7) y localizado aguas abajo de las entradas de oxidante y de combustible, en el que los bordes del primer medio de matriz (8) no entran en contacto con las paredes del horno (10) y con la pared deflectora (20).

Medios de matriz para reducir el volumen de combustión Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a la combustión de combustible fósil, y en particular, a un aparato para la combustión de combustible gaseoso en una caldera de generación de vapor.

Antecedentes de la invención Los quemadores de combustible fósil convierten la energía química almacenada en los combustibles fósiles en calor térmico quemando el combustible fósil en presencia de un oxidante. En las aplicaciones de generación de potencia, el calor térmico puede transferirse al agua para producir vapor para impulsar turbinas productoras de electricidad. En aplicaciones que no generan potencia, el calor térmico puede transferirse a cualquier número de objetos o de procesos concebibles.

Las calderas de generación de vapor convencionales comprenden, en general, uno o más quemadores, uno o más puntos de inyección de combustible, uno o más puntos de inyección de oxidante y un medio para propulsar el combustible y el oxidante inyectados en un horno de combustión. Tras la ignición de la mezcla de oxidante/combustible (Figura 1) se forma una envoltura de combustión 4 que comprende una llama 3 y una zona de mezcla de oxidante/combustible 2 entre la llama 3 y el quemador 1.

Las Figuras 2 y 3 son representaciones esquemáticas de calderas de generación de vapor convencionales que utilizan un único quemador y múltiples quemadores, respectivamente. Las paredes interiores 10 comprenden una pluralidad de tubos que generan vapor 6 conectados fluidamente a un banco de calderas (no mostrado) . La energía térmica producida dentro de la envoltura de combustión 4 calienta radiantemente los tubos 6 que a su vez dirigen la energía térmica al agua de los tubos 6 con el fin de generar vapor.

En muchas calderas de generación de vapor, la longitud y la anchura de la envoltura de combustión 4 juegan un papel integral en el diseño del horno de combustión 5. En las calderas FM, por ejemplo, el horno de combustión 5 preferentemente se diseña lo suficientemente grande para evitar el contacto excesivo de la envoltura de combustión 4 con las paredes del horno 10. También conocido como impacto de la llama, visto en la Figura 3, un contacto excesivo de la llama 3 con una pared del horno 10 puede dar como resultado una combustión incompleta, dando lugar a mayores emisiones de CO y de otros productos secundarios de la combustión, o la degradación prematura, dando lugar a reparaciones costosas y a tiempo de inactividad de la caldera. En consecuencia, los hornos de combustión 5 se diseñan generalmente para acomodar una envoltura de combustión 4 quemadora dada minimizando la posibilidad del impacto de la llama.

Los quemadores convencionales, en general, utilizan mecanismos de control del caudal para controlar la expansión axial y radial de la envoltura de combustión 4. La expansión radial de la envoltura de combustión 4 es generalmente una función para crear un remolino y la expansión natural del combustible, del oxidante y de la llama. Algunos diseños de quemadores convencionales utilizan mecanismos de control de flujo para restringir la expansión radial natural de la envoltura de combustión 4, dando como resultado una llama más estrecha más larga. Las fuerzas de cizalla creadas por los mecanismos de control de flujo pueden usarse también para influenciar el grado de mezcla de oxidante/combustible antes de la combustión, de este modo teniendo un efecto en las emisiones tales como CO y NOx.

La disponibilidad de oxidante y de combustible y su capacidad para mezclarse antes de la combustión influye en la longitud de una envoltura de combustión 4 dentro de un horno de combustión 5. Las llamas más largas resultan generalmente de un suministro insuficiente de oxidante o de la mezcla inadecuada del oxidante y del combustible dentro de la envoltura de combustión 4. Las llamas más cortas resultan generalmente de un suministro suficiente de oxidante y de una mezcla adecuada del oxidante y del combustible dentro de la envoltura de combustión 4. La longitud de la llama puede estar influenciada también por la velocidad a la que las corrientes de combustible y/o de oxidante entran a la envoltura de combustión 4. Las velocidades excesivas o las interrupciones momentáneas de las corrientes de combustible y/o de oxidante pueden producir que la llama del quemador 3 pierda la ignición. Tal pérdida de ignición es especialmente indeseable, ya que puede dar como resultado una acumulación de combustibles susceptible a la explosión violenta tras la reignición.

El Departamento de Energía de los EE.UU. ha articulado que existe una necesidad detectada desde hace tiempo para reducir el tamaño y el peso de las calderas de generación de vapor tales como calderas industriales. Las calderas de generación de vapor convencionales se construyen para acomodar el tamaño de la envoltura de combustión 4 producida. En consecuencia, existe una necesidad detectada desde hace tiempo para desarrollar una envoltura de combustión 4 capaz de producir suficiente energía térmica para la producción de vapor en un volumen significativamente más pequeño, permitiendo de este modo la producción de diseños de calderas de generación de vapor más pequeñas, más ligeras y más compactas.

El documento US 2 362 972 describe un quemador de gas que tiene una cámara de mezcla en un extremo y que tiene su extremo opuesto abierto; medios para introducir gas y aire dentro de dicha cámara; envase poroso no combustible en el extremo abierto de dicho quemador a través del que difunde la mezcla de gas-aire; una caja aislada que forma una cámara de combustión primaria en la que se proyecta el extremo abierto del quemador; medios para admitir aire secundario en la cámara de combustión; dicha caja que forma también una cámara de combustión secundaria adyacente a dicha cámara primaria; y una capa porosa relativamente gruesa de material no combustible que separa dichas cámaras de combustión primaria y secundaria y adaptada para calentarse a un alto grado por los productos de combustión.

Sumario de la invención Se exponen aspectos y realizaciones particulares en la reivindicación independiente y en las reivindicaciones dependientes adjuntas.

La presente invención resuelve los problemas anteriormente mencionados y proporciona una caldera de generación de vapor capaz de prender fuego a combustibles líquidos, combustibles gaseosos o cualquier combinación de los mismos.

Un objeto de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor compacta.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor con una envoltura de combustión radialmente más amplia y axialmente más corta que aquella de las calderas de generación de vapor convencionales.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor de bajo NOx y de bajo CO.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una caldera de generación de vapor capaz de mantener pasivamente una fuente de ignición constante.

Todavía otro objeto de la presente invención es proporcionar un medio para diseñar una caldera de generación de vapor de tamaño y peso reducidos en comparación con aquellos de una caldera de generación de vapor convencional.

La presente invención desvela una caldera de generación de vapor. Una caldera de generación de vapor de acuerdo con la presente invención comprende un horno de combustión (5) , una entrada de oxidante, una entrada de combustible, un medio de matriz (8) y tubos de vapor (6) .

Las diversas características que caracterizan la presente invención se señalan con particularidad en las reivindicaciones adjuntas a y que forman parte de la presente divulgación. Para un mejor entendimiento de la invención, sus ventajas de funcionamiento y los objetos específicos logrados por sus usos, se hace referencia a los dibujos que acompañan y a la materia descriptiva en la que se ilustran las realizaciones preferidas de la invención.

Breve descripción de los dibujos En los dibujos adjuntos, que forman una parte de la presente memoria descriptiva y en los que los números de referencia mostrados en los dibujos designan partes iguales o correspondientes a través de los mismos:

La Figura 1 es una representación esquemática de una envoltura de combustión.

La Figura 2 es una representación esquemática de una caldera industrial convencional que utiliza un quemador único.

La Figura 3 es una representación esquemática de una caldera industrial convencional que utiliza más de un quemador.

La Figura 4 es una representación esquemática de una envoltura de combustión... [Seguir leyendo]

1. Una caldera de generación de vapor, que comprende:

un horno de combustión (5) que tiene una pared deflectora (20) y una pluralidad de paredes del horno (10) , comprendiendo cada pared del horno (10) una pluralidad de tubos de vapor (6) en conexión fluida con un tambor de vapor (7) localizado aguas abajo de la cámara de combustión, una primera entrada de oxidante para proporcionar un primer oxidante, una entrada de combustible para proporcionar un combustible, un primer medio de matriz (8) que comprende elementos metálicos esféricos para mezclar pasivamente el oxidante y el combustible, localizado en el lado opuesto de la pared deflectora (20) del tambor de vapor (7) y localizado aguas abajo de las entradas de oxidante y de combustible, en el que los bordes del primer medio de matriz (8) no entran en contacto con las paredes del horno (10) y con la pared deflectora (20) .

2. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 1, en la que el primer medio de matriz (8) dispersa radialmente una envoltura de combustible (4) producida prendiendo el combustible y el oxidante.

3. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 2, en la que el primer medio de matriz (8) comprende una primera sección transversal que tiene un área abierta para el flujo gaseoso, una segunda sección transversal que tiene un área abierta para el flujo gaseoso y el área abierta para el flujo gaseoso que cruza la primera sección transversal es mayor que el área abierta para el flujo gaseoso que cruza la segunda sección transversal.

4. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 3, en la que el primer medio de matriz (8) comprende adicionalmente una tercera sección transversal y el área abierta para el flujo gaseoso que cruza la tercera área en sección transversal es sustancialmente igual al área abierta para el flujo gaseoso que cruza la primera sección transversal.

5. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 3, en la que el primer medio de matriz (8) comprende adicionalmente una tercera sección transversal y el área abierta para el flujo gaseoso que cruza la tercera área en 30 sección transversal es mayor que el área abierta para el flujo gaseoso que cruza la segunda sección transversal.

6. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 2, en la que la envoltura de combustión (4) protruye el medio de matriz aguas abajo de la entrada de inyección del combustible.

7. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 6, en la que el primer medio de matriz (8) comprende una reserva térmica capaz de mantener la ignición del combustible y del primer oxidante.

8. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 2, en la que la entrada del combustible está localizada dentro del primer medio de matriz (8) . 40

9. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 2, en la que la entrada del primer oxidante está localizada dentro del primer medio de matriz (8) .

10. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 2, que comprende adicionalmente una placa perforada 45 (150) localizada aguas arriba del primer medio de matriz (8) .

11. La caldera de generación de vapor de cualquier reivindicación anterior, que comprende adicionalmente, una segunda entrada de oxidante para proporcionar un segundo oxidante, y 50 un segundo medio de matriz (14) que comprende elementos metálicos esféricos y localizado aguas abajo de la segunda entrada de oxidante para mezclar pasivamente el segundo oxidante y el combustible.

12. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente tubos de enfriamiento (15) localizados entre el primer medio de matriz (8) y el segundo medio de matriz (14) . 55

13. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente un encendedor (160) localizado entre el primer medio de matriz (8) y el segundo medio de matriz (14) .

14. La caldera de generación de vapor de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente un sensor (16) 60 localizado entre el primer medio de matriz (8) y el segundo medio de matriz (14) .