Método y dispositivo para fundir material de fundición.

Un método para fundir material de fundición, tal como vidrio, en un horno, el cual se implementa como un horno de lumbrera extrema, estando previstas dos lumbreras en una cara frontal del horno, que son hechas funcionar de forma alternante como la lumbrera del quemador y la lumbrera del gas de escape, siendo suministrado un combustible y un oxidante a la lumbrera del quemador y haciéndose reaccionar, y los gases de combustión resultantes fluyen a lo largo de una dirección de flujo principal esencialmente en forma de U a través del horno a la lumbrera del gas de escape en relación con la dirección de flujo principal, caracterizado por que al menos se introduce en el horno (10) una corriente de gas rica en combustible, aguas debajo de la lumbrera del quemador, y al menos se introduce en el horno (10) una corriente de gas que contiene oxígeno, aguas abajo del punto de introducción de la o las corrientes de gas ricas en combustible (20; 22).

Método y dispositivo para fundir material de fundición La presente invención se refiere a un método y un dispositivo para fundir material de fundición tal como vidrio, de acuerdo con los respectivos preámbulos de las reivindicaciones independientes.

Técnica Anterior Es conocida la fundición de vidrio utilizando un horno de vidrio, siendo calentado el horno a través de una lumbrera del quemador fijada frontalmente. A los quemadores correspondientes se les alude típicamente como quemadores frontales o quemadores de llama en U; a hornos correspondientes se les alude como una artesa de llama en U (en inglés: "end-port furnace") . Hornos de este tipo se hacen funcionar típicamente de manera regenerativa utilizando dos lumbreras del quemador de forma alternante, es decir, el combustible y un oxidante (típicamente aire) se suministra a uno solo de los dos lumbreras del quemador, mientras que los gases de escape calientes se agotan a través de la abertura de suministro de aire de la otra lumbrera del quemador. El calor requerido para el mantenimiento de la masa fundida de vidrio es generado por la combustión del combustible (la puesta en marcha de la masa fundida o "encendido" típicamente se lleva a cabo lentamente a través de quemadores auxiliares separados o similares) . Los gases de combustión cubren un recorrido en forma de U en el horno, debido a lo cual se les dan las designaciones anteriores. Las lumbreras del quemador se hacen funcionar de forma alternante en la función de una lumbrera del quemador y una lumbrera del gas de escape, produciéndose una transición después de un tiempo de ciclo específico, por ejemplo entre 10 y 30 min, en particular de 15 a 25 min. Un intercambiador de calor (al que se alude también como un regenerador, en inglés "regenerator") está conectado aguas arriba de la abertura de suministro de una lumbrera del quemador en cada caso en la trayectoria de suministro del oxidante (aire) . Por ejemplo, ladrillos de almacenamiento de calor, los cuales fueron previamente calentados por el gas de escape agotado a temperaturas de aproximadamente 1500°C, están situados en el intercambiador de calor. En el siguiente ciclo, el oxidante (aire) es conducido a través de los ladrillos de almacenamiento de calor calentados hacia la lumbrera del quemador, siendo capaz el aire entrante de ser precalentado hasta aproximadamente 1350°C. Esta operación regenerativa alternante (en inglés: "swap") de las dos lumbreras del quemador es la base para muchos hornos industriales como el método de Siemens-Martin.

A las expresiones "aguas arriba" y "aguas abajo" se las alude de aquí en adelante, si no se hace explícitamente referencia a otra corriente, a la dirección de flujo principal de los gases de combustión que salen de la o las lumbreras del quemador y abandonan el horno a través de la o las lumbreras del gas de escape. En el caso de un horno de lumbrera extrema, los gases de combustión cubren un recorrido sustancialmente en forma de U desde la lumbrera del quemador a través de la cámara del horno de vuelta a la lumbrera del gas de escape. La trayectoria del flujo principal se extiende desde una lumbrera del quemador, que está situada en una cara frontal del horno, en la dirección longitudinal del horno y luego se invierte, los gases de combustión que abandonan el horno a través de la lumbrera del gas de escape dispuesta en la cara frontal adyacente a la lumbrera del quemador. Después de haber conmutado las dos lumbreras, la lumbrera del gas de escape previa funciona como la lumbrera del quemador y la lumbrera previa del quemador anterior funciona como la lumbrera de gas de escape. La dirección de flujo principal en el horno también se invierte en consecuencia y se extiende opuesta a la dirección de flujo principal previa.

Óxidos de nitrógeno (NOx) pueden surgir durante la combustión. Se han hecho esfuerzos para reducir la fracción de óxido de nitrógeno en el gas de escape. En la fundición de metal o en hornos de tratamiento térmico, se utiliza preferiblemente para este fin la llamada de combustión FLOX o combustión sin llama. Los gases de escape se hacen recircular seriamente en la cámara de combustión y se mezclan con el aire de combustión en este caso. De esta manera y debido a la mezcladura retardada de aire y gas de combustión, ya no puede formarse un frente de llama. A temperaturas suficientemente elevadas de al menos 800°C, el combustible se oxida en todo el volumen de la cámara de combustión al tiempo que se forman temperaturas muy homogéneas. Se reduce la formación de óxidos de nitrógeno, que se produce sobre todo en el límite de la llama que tiene sus altas temperaturas pico. Sin embargo, la aplicación de la combustión sin llama en el caso de vidrio fundido está sujeta a restricciones, ya que en este caso es necesario desviarse de los métodos de producción largamente probados que tienen sus detalles de producción empíricamente obtenidos.

Más recientemente, se han requerido valores límite de NOx menores que 800 mg/Nm3 o incluso menores que 700 mg/Nm3. Métodos de fundición de vidrio conocidos no alcanzan típicamente este valor límite. Debido a las altas temperaturas de procesamiento, surge el NOx térmico, típicamente a más de 1100 mg/Nm3 de gas de escape.

También se conoce el subsiguiente funcionamiento sub-estequiométrico de los quemadores de manera que se genera monóxido de carbono (CO) . El monóxido de carbono reduce los óxidos de nitrógeno para formar dióxido de

carbono y nitrógeno. Sin embargo, las emisiones de CO que se producen resultan en temperaturas elevadas en el regenerador de gas de escape (intercambiador de calor) , debido a la post-combustión, lo que puede resultar en daños e incluso la destrucción del regenerador. Por esta razón, generalmente se descarta este tipo de operación.

El documento WO 2010/114714 A1, que se refiere también a un quemador de lumbrera extrema, propone otro tipo de reducción de los óxidos de nitrógeno. Un quemador de combustible, que está dispuesto preferiblemente en la zona activa del horno o en su proximidad y se hace funcionar preferiblemente de manera sub-estequiométrica, es decir, rica en combustible, está situado aguas abajo de una lumbrera del quemador hecha funcionar para formar una llama de combustión. Un quemador de combustible adicional está dispuesto más aguas abajo, que es hecho funcionar de manera super-estequiométrica, es decir, rica en oxígeno. En la práctica, los dos quemadores de combustible están situados preferiblemente en las paredes laterales opuestas del horno en frente de la lumbrera de salida para el vidrio líquido. Petróleo o gas se puede utilizar como combustible. El uso del quemador rico en combustible y hecho funcionar de manera sub-estequiométrica resulta en una expansión de las zonas ricas en combustible en el horno, de modo que la formación de NOx disminuye debido a la falta de oxígeno y debido al CO producido. Más aguas abajo y, por lo tanto, en la dirección del lado del gas de escape del horno, el segundo quemador de combustible rico en oxígeno y, por lo tanto, hecho funcionar de manera super-estequiométrica, asegura una mezcladura a fondo de los gases de escape con una llama rica en oxígeno y, por lo tanto, la postcombustión más completa posible de componentes de combustibles quemados de manera incompleta. Los dos quemadores de combustible, a los que también se alude como "quemadores de punto caliente", están dispuestos preferiblemente uno frente al otro en la tercera de las paredes longitudinales del horno situado más aguas abajo y, por lo tanto, están situados en la zona de la inversión en forma de U de la corriente de gas de combustión en el horno. El funcionamiento alternante del horno es fácilmente posible, ya que los quemadores de combustible se conmutan de un funcionamiento sub-estequiométrico a uno super-estequiométrico (o viceversa) . Valores de los gases de escape de NOx significativamente reducidos ya se han podido medir utilizando este método.

Además de ello, típicamente una reducción de óxidos de nitrógeno también se puede realizar por medio de un posttratamiento y una purificación de los gases de escape. Tales dispositivos de purificación de gases de escape ocupan gran espacio y requieren una gran inversión y típicamente requieren altos costos de funcionamiento y mantenimiento. Alternativa o adicionalmente, la zona de fundición en el horno podría ampliarse de manera significativa para reducir la carga del calor específico del horno. La desventaja aquí sería un horno significativamente mayor con un rendimiento sin cambios.

Un problema, por lo tanto, en el que se basa la presente invención es la reducción de la fracción de óxido de nitrógeno en el gas de escape de los hornos de fundición arriba descritos,... [Seguir leyendo]

1. Un método para fundir material de fundición, tal como vidrio, en un horno, el cual se implementa como un horno de lumbrera extrema, estando previstas dos lumbreras en una cara frontal del horno, que son hechas funcionar de forma alternante como la lumbrera del quemador y la lumbrera del gas de escape, siendo suministrado un combustible y un oxidante a la lumbrera del quemador y haciéndose reaccionar, y los gases de combustión resultantes fluyen a lo largo de una dirección de flujo principal esencialmente en forma de U a través del horno a la lumbrera del gas de escape en relación con la dirección de flujo principal, caracterizado por que al menos se introduce en el horno (10) una corriente de gas rica en combustible, aguas debajo de la lumbrera del quemador, y al menos se introduce en el horno (10) una corriente de gas que contiene oxígeno, aguas abajo del punto de introducción de la o las corrientes de gas ricas en combustible (20; 22) .

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que aire enriquecido en oxígeno u oxígeno puro se utilizan como la o las corrientes que contienen gas.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que la o las corrientes de gas que contienen oxígeno se introducen en el horno (10) a una velocidad de al menos 50 m/s, preferiblemente al menos 100 m/s, más preferiblemente al menos 150 m/s y a lo sumo 326 m/s, preferiblemente a lo sumo 200 m/s.

4. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la o las corrientes de gas que contienen oxígeno se introducen en el horno (10) en la zona de una lumbrera del gas de escape (24A; 26A) del horno, en particular en el tercio, cuarto, quinto o décimo del horno contiguo a la cara frontal que tiene la lumbrera del gas de escape.

5. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la o las corrientes de gas que contienen oxígeno se introducen en el horno perpendicularmente o en otro ángulo con respecto a la pared

(12) del horno (10) .

6. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la o las corrientes de gas que contienen oxígeno se introducen en el horno (10) en la cara del gas de escape fuera de la llama (25, 29) del quemador generada por la lumbrera del quemador.

7. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que al menos una corriente secundaria que contiene oxígeno, especialmente una corriente de 100% de oxígeno, se introduce en el horno aguas abajo del punto de introducción de la o las corrientes de gas ricas en combustible y aguas arriba del punto de introducción de la o las corrientes de gas que contienen oxígeno.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que una de las lumbreras se conmuta del funcionamiento como lumbrera de quemador a funcionamiento como lumbrera del gas de escape, y la otra lumbrera se conmuta del funcionamiento como lumbrera del gas de escape a funcionamiento como lumbrera del quemador, y por que

a. la o las corrientes secundarias que contienen oxígeno se desconectan,

b. después se introducen una o más de otras corrientes de gas ricas en combustible en el horno desde la cara del horno de la cual se han suministrado antes la o las corrientes secundarias con contenido en oxígeno,

c. después, se desconectan la o las corrientes de gas ricas en combustible que originalmente habían sido introducidas en el horno, y

d. después, se introducen otra o más de otras corrientes secundarias que contienen oxígeno en el horno desde la cara del horno de la cual se introdujeron originalmente en el horno la o las corrientes de gas ricas en combustible.

9. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que dicha o dichas corrientes de gas que contienen oxígeno y/o una o más corrientes de oxígeno adicionales se introducen en el horno en una dirección a la lumbrera que se hace funcionar como la lumbrera del quemador.

10. Un dispositivo para fundir material de fundición tal como vidrio, que tiene un horno (10) que está implementado como un horno de lumbrera extrema, estando previstas dos lumbreras en una cara frontal del horno, pudiendo hacerse funcionar de forma alternante cada una de las dos lumbreras como lumbrera del quemador o como lumbrera del gas de escape, y estando asignado un intercambiador de calor (24, 26) a cada una de las lumbreras del quemador, siendo posible suministrar combustible y oxidante al horno a través de la lumbrera del quemador para formar una reacción de combustión (25; 29) , con el fin de calentar el horno (10) , y que tiene al menos un primer y un segundo quemador (20; 22) que se puede hacer funcionar de forma sub-estequiométrica y/o que tiene al menos una primera y una segunda boquilla de combustible para introducir una corriente de gas rica en combustible en el horno (10) , estando dispuestas el primero y el segundo quemador (20, 22) que se puede hacer funcionar de forma sub

estequiométrica y/o la primera y la segunda boquilla de combustible en la mitad del horno no contigua a la cara frontal que tiene la lumbrera del quemador y la lumbrera del gas de escape, caracterizado por tener al menos una primera y una segunda boquilla de gas de flujo (1) para suministrar una corriente de gas que contiene oxígeno al horno, estando dispuestas la primera y la segunda boquilla de gas de flujo (1) en la mitad del horno contigua a la cara frontal que tiene la lumbrera del quemador y la lumbrera del gas de escape.

11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que la primera y la segunda boquillas de gas de flujo (1) están diseñadas como una boquilla de Laval o boquilla de Venturi.

12. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado por que la primera y la segunda

boquillas de gas de flujo (1) se pueden ajustas con respecto a su posición y/o ángulo para permitir una flexibilidad y 10 optimización del procedimiento.

13. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado por que la primera y la segunda boquillas de gas de flujo (1) está dispuestas en una pared lateral (19, 21) y/o en la cara frontal (13) y/o en un arco del horno (10) , siendo la distancia de la primera y la segunda boquillas de gas de flujo de la cara frontal a lo sumo 33%, a lo sumo 25%, a lo sumo 20%, a lo sumo 15% o a lo sumo 10% la extensión longitudinal del horno en la dirección perpendicular a la cara frontal.

14. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado por que el primer y el segundo quemador (20; 22) que se pueden hacer funcionar de forma sub-estequiométrica y/o la primera y la segunda boquillas de combustible están dispuestos en paredes laterales opuestas del horno, y por que se proporcionan un primer y un segundo quemador (22; 20) que se pueden hacer funcionar de forma súper-estequiométrica y/o una primera y una segunda boquillas de oxígeno para suministrar una corriente secundaria que contiene oxígeno al horno (10) , estando dispuestos el primer y el segundo quemador (22; 20) que se pueden hacer funcionar de forma súper-estequiométrica y/o la primera y segunda boquillas de oxígeno en dichas paredes laterales opuestas.