Procedimiento para mejorar un sistema de combustión para quemar partículas de combustible sólido en una cámara de combustión y crear un gas de combustión,

comprendiendo el método: crear una corriente de gas combustible mezclando las partículas de combustible sólido con un gas transportador; transportar la corriente de gas combustible a través de un conducto de combustible que termina en la cámara de combustión en un plano de salida de combustible; inyectar una corriente de oxígeno a través de un dispositivo de inyección en dicho gas combustible en una ubicación de inyección de oxígeno seleccionada para crear una zona de mezclado para mezclar la corriente de oxígeno y la corriente de gas combustible, estando el punto de inyección de la corriente de oxígeno próximo y antes del plano de salida de combustible; seleccionar un contenido en O2 objetivo en el gas de combustión; seleccionar el contenido en O2 de la corriente de oxígeno; seleccionar la velocidad de flujo del gas transportador deseada para mantener las partículas de combustible sólido y el gas transportador en relación mezclada de manera que la corriente de gas combustible puede transportarse a través del conducto de combustible hasta la cámara de combustión sin separación; y ajustar la cantidad total de oxígeno que entra en la cámara de combustión para proporcionar el contenido en O2 objetivo en el gas de combustión

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención

Esta invención se refiere al campo del enriquecimiento en oxígeno de gases que transportan combustible para su uso en combustión. 5

Técnica relacionada

El enriquecimiento en oxígeno en todas las clases de sistemas de combustión es un método bien conocido y en crecimiento ya implementado en muchos procesos industriales para mejorar las características de combustión, tanto en lo que se refiere a la eficacia, calidad del producto, como a los niveles de emisiones contaminantes. Éstos incluyen hogares de vidrio, hornos de calcinación de 10 cemento y cal, y procesos con aluminio o acero. Por ejemplo, el enriquecimiento en oxígeno en hornos de calcinación de cal se ha descrito en Garrido G.F., Perkins A.S., Ayton J.R., UPGRADING LIME RECOVERY WITH O2 ENRICHMENT, CPPA Conference, Montreal, enero de 1981. Puede usarse oxígeno puro o sustancialmente puro como único oxidante para algunas aplicaciones específicas, a menudo denominadas hogares de “oxígeno completo”. También puede ser eficaz 15 cuando se añade como oxidante complementario en un sistema de combustión alimentado por aire existente, o bien a través de los orificios que permiten que la corriente de aire fluya al interior de la cámara de combustión o bien a través de orificios adicionales añadidos para la inyección de oxígeno puro o aire enriquecido en oxígeno. Este último caso se denomina a menudo combustión “enriquecida en oxígeno” o combustión “potenciada por oxígeno”. 20

Pueden ponerse en práctica dos alternativas principales para el enriquecimiento en oxígeno, bien mezclar previamente el oxígeno, habitualmente en al menos algo del aire existente para formar una corriente oxidante enriquecida en oxígeno, o bien inyectar el oxígeno directamente en la cámara de combustión. El mezclado previo puede conseguirse inyectando el O2 en algunos de los conductos de aire principales, para producir una corriente enriquecida en oxígeno, homogénea, para su 25 introducción en la cámara de combustión como en el documento US 5.291.841. La inyección directa puede conseguirse lanzando O2 sustancialmente puro al interior de la cámara de combustión, a través de orificios específicos aparte de los orificios de aire existentes, o a través de orificios de aire existentes, estando rodeadas las lanzas de oxígeno por la corriente de aire principal sin mezclarse en esta corriente de aire antes de la salida a la cámara de combustión. 30

Los hogares así descritos que emplean corrientes de O2 puro o corrientes enriquecidas en oxígeno funcionan con combustibles líquidos o gaseosos tales como gas natural o gasoil. En esos casos, todas las corrientes oxidantes pueden clasificarse como corrientes “únicamente oxidantes”, puesto que su único papel consiste en proporcionar el oxidante (las moléculas de oxígeno necesarias para la combustión) en la zona de combustión. Hasta la fecha, ninguno de estos esquemas de 35 enriquecimiento en oxígeno se ha adaptado satisfactoriamente a aplicaciones de combustible sólido, tales como calderas de carbón pulverizado, debido a problemas asociados al mismo que son únicos para medios de combustible sólido y su transporte, tal como se describe a continuación.

Los hogares de gas o gasoil requieren habitualmente sólo dos tipos de corrientes de aire. El primero de estos tipos está situado normalmente al nivel del quemador, y puede comprender tanto 40 como el 100 por cien del aire requerido para lograr una combustión completa. El segundo tipo, si es necesario, está situado aparte del quemador, y se inyecta en una “segunda zona de combustión” para completar la combustión.

En el caso de calderas de carbón pulverizado, y otros dispositivos en los que las partículas de combustible sólido (éstos pueden incluir cualquier aparato para quemar un sólido que está 45 pulverizado, micronizado o que existe de otro modo en un estado suficientemente fino como para transportarse por un flujo de gas) requieren un gras transportador para transportarlas hasta el quemador, la primera corriente oxidante que se pone en contacto con el combustible en una “primera zona de combustión” consiste en el propio gas transportador, normalmente aire. Esta corriente de aire que transporta las partículas de combustible sólido desde un dispositivo de molienda o de depósito 50 (por ejemplo, un pulverizador de carbón) hasta el quemador se denomina frecuentemente “aire primario”, y corresponde a de aproximadamente el diez al veinte por ciento del aire global inyectado en la cámara de combustión para efectuar la combustión completa del combustible. Obsérvese que su función es más que la de la corriente de aire “únicamente oxidante” descrita anteriormente; su función primaria es transportar el combustible hasta el quemador. De hecho, no es necesario que sea un 55 oxidante en absoluto (podría ser un combustible gaseoso, tal como gas natural, o un gas inerte, tal

como nitrógeno). Actualmente, a menudo resulta práctico usar aire como gas transportador. En cualquier caso, es deseable que, independientemente de las características oxidantes de este gas, tenga una velocidad de flujo y un volumen suficientes para lograr el transporte del combustible sólido hasta el quemador.

Estas calderas convencionales de carbón pulverizado, usan al menos dos, y algunas veces 5 tres, tipos de corrientes de aire. Obsérvese que puede haber múltiples corrientes de cada tipo en uso, dependiendo del diseño específico de la estructura. La primera de éstas es la corriente de aire primario, que transporta el combustible sólido pulverizado. El segundo tipo, el “aire secundario”, se inyecta al nivel del quemador, alrededor o cerca de la mezcla de aire primario/combustible. El tercer tipo, denominado “aire terciario” o “aire de sobrefuego (ASF)”, se inyecta, si es necesario, fuera del 10 quemador en una segunda zona de combustión, para completar el proceso de combustión. Esta caldera de carbón convencional se ilustra en la figura 1.

Algunos estudios notificados en la bibliografía muestran que el aumento de la temperatura en la zona de ignición rica en combustible permitiría una liberación más rápida y más eficaz de los compuestos volátiles contenidos en el combustible pulverizado, aumentándose así la estabilidad de la 15 llama, potenciándose la eficacia de la combustión, lo que permite un funcionamiento más fácil y el ahorro de combustible. También disminuirían las emisiones contaminantes, especialmente la formación de NOx, puesto que se sabe que una combustión rica en combustible junto con altas temperaturas evita que el nitrógeno unido al combustible se oxide a óxidos de nitrógeno, reduciéndolo a nitrógeno molecular (N2). Esto se describe de manera más completa, por ejemplo, en Sarofin, A.F. 20 et al., “Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions during Combustion of Nitrogen-bearing fuels”, PROCEEDINGS OF THE 69TH ANNUAL MEETING OF THE A.I.CH.E., Chicago, noviembre de 1976, así como en K. Moore, W. Ellison, “Fuel Rich Combustion, A Low Cost NOx Control Means for Coal-fired Plants”, 25TH INTERNATIONAL TECHNICAL CONFERENCE ON COAL UTILIZATION & FUEL SYSTEMS, Clearwater, Florida, marzo de 2000. Para aumentar la temperatura en la 25 combustión, un procedimiento bien conocido es aumentar el contenido en oxígeno localizado, o en otras palabras liberar más energía por unidad de volumen (volumen de combustible/oxidante/gas de combustión). El enriquecimiento en oxígeno en la zona de ignición rica en combustible ayudará entonces a aumentar la temperatura local y a conseguir los beneficios relacionados descritos anteriormente. Como primera corriente de aire en contacto con el combustible y como la única 30 corriente oxidante disponible al comienzo del proceso de combustión, el aire primario puede parecer adecuado para obtener un contenido en O2 superior en la zona de ignición.

Aunque parece entonces teóricamente deseable enriquecer el aire primario para aumentar la temperatura en la zona de ignición rica en combustible, dos problemas han impedido en el pasado la adaptabilidad de técnicas conocidas ya usadas o descritas para el enriquecimiento de aire secundario 35 o terciario. En primer lugar, el aire primario, en contraposición a todas las otras corrientes oxidantes, contiene partículas de combustible. La corriente de combustible/aire primario existente es entonces un gas inflamable, que se hará incluso más inflamable si se inyecta oxígeno...

1. Procedimiento para mejorar un sistema de combustión para quemar partículas de combustible sólido en una cámara de combustión y crear un gas de combustión, comprendiendo el método:

crear una corriente de gas combustible mezclando las partículas de combustible sólido con 5 un gas transportador;

transportar la corriente de gas combustible a través de un conducto de combustible que termina en la cámara de combustión en un plano de salida de combustible;

inyectar una corriente de oxígeno a través de un dispositivo de inyección en dicho gas combustible en una ubicación de inyección de oxígeno seleccionada para crear una zona de 10 mezclado para mezclar la corriente de oxígeno y la corriente de gas combustible, estando el punto de inyección de la corriente de oxígeno próximo y antes del plano de salida de combustible;

seleccionar un contenido en O2 objetivo en el gas de combustión;

seleccionar el contenido en O2 de la corriente de oxígeno; 15

seleccionar la velocidad de flujo del gas transportador deseada para mantener las partículas de combustible sólido y el gas transportador en relación mezclada de manera que la corriente de gas combustible puede transportarse a través del conducto de combustible hasta la cámara de combustión sin separación; y

ajustar la cantidad total de oxígeno que entra en la cámara de combustión para proporcionar 20 el contenido en O2 objetivo en el gas de combustión.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además:

seleccionar el dispositivo de inyección para potenciar el mezclado de la corriente de oxígeno y la corriente de gas combustible para reducir la formación de NOx durante la combustión del combustible; 25

seleccionar un contenido en O2 objetivo en el gas de combustión;

seleccionar el contenido en O2 de la corriente de oxígeno;

seleccionar la velocidad de flujo del gas transportador deseada para mantener las partículas de combustible sólido y el gas transportador en relación mezclada de manera que la corriente de gas combustible puede transportarse a través del conducto de combustible 30 hasta la cámara de combustión sin separación; y

ajustar la cantidad total de oxígeno que entra en la cámara de combustión para proporcionar el contenido en O2 objetivo en el gas de combustión.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, seleccionándose el contenido en O2 objetivo en el gas de combustión para que esté entre el 1,5 por ciento y el 4,5 por ciento en volumen del 35 gas de combustión.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, seleccionándose el contenido en O2 objetivo en el gas de combustión para que sea de aproximadamente el 3,0 por ciento en volumen del gas de combustión.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho gas transportador comprende aire y 40 gas de combustión recirculado.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho gas transportador es una mezcla de oxígeno y gas de combustión recirculado.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha corriente de oxígeno se inyecta usando una lanza de oxígeno con una boquilla de inyección frontal, que es recta o inclinada. 45

8. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha corriente de oxígeno se inyecta usando una lanza de oxígeno con una boquilla de inyección lateral y en el que dicha boquilla de inyección lateral tiene aberturas laterales separadas.

9. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha corriente de oxígeno se inyecta usando un anillo de oxígeno. 5

10. Procedimiento según la reivindicación 1, teniendo el conducto de combustible una parte recta interpuesta entre el plano de salida de combustible y una curva, teniendo la parte recta una longitud x;

seleccionándose la ubicación de inyección de oxígeno para que esté a una distancia e desde el plano de salida de combustible; 10

teniendo el conducto de combustible un diámetro interno D; y

comprendiendo el procedimiento situar la ubicación de inyección de oxígeno para que sea mayor de cero pero menos de 6 veces D.

11. Procedimiento según la reivindicación 7, que comprende además:

seleccionar un conducto de combustible que tiene un diámetro interno terminal D; 15

seleccionar una lanza de oxígeno que tiene un diámetro interno terminal d;

orientar la lanza de oxígeno en el conducto de combustible para que se extienda en una dirección de inyección, definiendo de ese modo un ángulo  que es el menor ángulo formado entre (1) una línea que se extiende desde la superficie interna terminal de la lanza hasta la intersección del plano de salida de combustible y la superficie interna terminal del conducto 20 de combustible y (2) una línea que se extiende desde la superficie interna terminal de la lanza en la dirección de inyección hasta el plano de salida de combustible; y

situar la lanza de oxígeno en el conducto de combustible de manera que la ubicación de inyección de oxígeno esté ubicada a una distancia e desde el plano de salida de combustible, de manera que la tangente del ángulo  es inferior o igual a (D-d)/2(e). 25

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el conducto de combustible se extiende en una dirección sustancialmente paralela a la dirección de la dirección de inyección de la lanza de oxígeno.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la ubicación de inyección de oxígeno está ubicada aproximadamente en el centro del conducto de combustible. 30

14. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además seleccionar el dispositivo de inyección para potenciar el mezclado de la corriente de oxígeno y la corriente de gas combustible para reducir la formación de NOx durante la combustión del combustible.