ES2903201T3 - Procedimiento para el encendido continuo de cámaras de combustión con al menos tres quemadores regenerativos - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el encendido continuo de cámaras de combustión (4) con al menos tres quemadores regenerativos (1, 2, 3), en donde cíclicamente, en primer lugar, un primero de los quemadores regenerativos (1, 2, 3) está en funcionamiento de combustión que conduce el aire de suministro y un segundo de los quemadores regenerativos (1, 2, 3) está en funcionamiento de aspiración que conduce el aire de escape, caracterizado porque la corriente volumétrica (24, 26) del aire de suministro o del aire de escape que pasa por el primer o segundo quemador regenerativo se reduce de forma continua y en ciclo contrario a la corriente volumétrica (25) del aire de suministro o del aire de escape que pasa por el tercer quemador regenerativo, a una presión constante de la cámara de combustión, hasta que el primer o segundo quemador regenerativo está libre de flujo.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para el encendido continuo de cámaras de combustión con al menos tres quemadores regenerativos

La invención se refiere a un un procedimiento para el encendido continuo de cámaras de combustión con al menos tres quemadores regenerativos, en donde cíclicamente, en primer lugar, uno de los quemadores regenerativos está en funcionamiento de combustión que conduce aire de suministro y un segundo de los quemadores regenerativos está en funcionamiento de aspiración que conduce aire de escape.

Se conocen procedimientos del estado de la técnica para el encendido de cámaras de combustión en hornos industriales con dos quemadores regenerativos. A este respecto, el regenerador respectivo de un quemador regenerativo se calienta alternativamente con el gas de escape de proceso caliente, producido durante el proceso de combustión en la cámara de combustión y aspirado por el quemador regenerativo, mientras que el regenerador del otro quemador regenerativo calienta el aire de suministro que se le suministra y, por tanto, se enfría por sí mismo. Durante el proceso de conmutación entre los quemadores regenerativos, los flujos de aire de suministro y de escape se intercambian, de modo que el proceso de combustión se interrumpe brevemente, lo que provoca una caída de presión e incluso la formación de una presión negativa en la cámara de combustión. Si hay una presión negativa en la cámara de combustión en comparación con la presión ambiental, existe el problema de que se aspira aire falso adicional en la cámara de combustión, lo que reduce la eficiencia energética del horno debido a que el aire falso no es precalentado por el aire de escape. Además de esto, el suministro controlado de aire de combustión a la cámara de combustión se interrumpe durante los procesos de conmutación, de modo que los gases de carbonización que se forman regularmente durante la combustión de la chatarra contaminada no pueden quemarse por completo y de forma controlada debido al contenido subestequiométrico de oxígeno del aire de combustión, lo que conduce a la formación de monóxido de carbono. Otra desventaja es que, después de conmutar entre dos quemadores regenerativos, es necesario un nuevo proceso de encendido, lo que significa que existe el riesgo de que los contaminantes formados durante el proceso de combustión se escapen de la cámara de combustión al medio ambiente, debido a los picos de presión que se producen temporalmente durante el proceso de encendido.

Además de esto, el proceso de conmutación tiene un efecto negativo sobre la eficiencia energética o el rendimiento de dichos dispositivos, especialmente porque, además de una parada temporal de la combustión, se requieren tiempos de asentamiento relativamente altos después de la conmutación. En este contexto, se requieren diseños de regeneradores masivos con una gran masa térmica para retrasar al máximo los tiempos de conmutación en los dispositivos de este tipo.

Del documento US 20160230991 A1 se conocen procedimientos y dispositivos para encender cámaras de combustión con al menos tres quemadores regenerativos. El procedimiento de combustión se lleva a cabo de tal manera que, en un momento dado, el número de quemadores regenerativos que aspiran los gases de escape es mayor que el número de quemadores regenerativos que suministran aire de combustión. A este respecto, en el lado del gas caliente se utilizan válvulas continuas, mientras que en el lado del gas frío se instalan válvulas de cierre discretas antes de los respectivos regeneradores, aunque éstas no son adecuadas para regular el flujo de los corriente volumétricas que se producen. Además de que las válvulas continuas utilizadas están dispuestas en el lado del gas caliente y, por lo tanto, están expuestas a altas temperaturas y, por consiguiente, a un gran desgaste, durante los procesos de conmutación se producen fluctuaciones de presión, por lo que no es posible un funcionamiento energéticamente eficiente debido al tiempo de conmutación y a los largos tiempos de ajuste. El documento EP 1717210 A1 divulga un funcionamiento de horno de fusión con tres quemadores regenerativos, en donde uno de los quemadores regenerativos está en modo de espera. Se cambia el quemador que está en modo de espera.

Además de esto, ya se han propuesto procedimientos que utilizan generadores de lecho giratorio que rotan, para permitir un encendido continuo de hornos industriales. La desventaja de esto, sin embargo, es que las partes mecánicas móviles del lecho regenerador de tales generadores de lecho giratorio están directamente expuestas a temperaturas muy altas de más de 1.000°C, lo que, por un lado, impone altas exigencias a los materiales utilizados y, por otro, dificulta el sellado permanente y eficaz entre las zonas de aire de combustión y de gases de escape del quemador regenerativo.

La invención se basa, por tanto, en la tarea de especificar un procedimiento del tipo descrito al principio, en el que se evita el escape de gases de proceso peligrosos para la salud desde la cámara de combustión al entorno inmediato y las altas emisiones de monóxido de carbono, y se hace posible un funcionamiento de encendido energéticamente eficiente a pesar del uso de regeneradores de dimensiones compactas.

La invención resuelve la tarea impuesta, por medio de que la corriente volumétrica del aire de suministro o de escape a través del primer o segundo quemador regenerativo se reduce de forma continua y en ciclo contrario a la corriente volumétrica del aire de suministro o de escape a través del tercer quemador regenerativo, a una presión constante de la cámara de combustión, hasta que el primer o segundo quemador regenerativo esté libre de flujo.

Gracias a las características según la invención, se puede evitar eficazmente el suministro de aire falso adicional debido a una baja presión de la cámara de combustión, así como el escape de gases de proceso tóxicos al entorno inmediato de la cámara de combustión debido a una sobrepresión de la cámara de combustión, ya que se omite un proceso de conmutación entre los quemadores regenerativos que conlleva una parada de la combustión, así como un proceso de encendido renovado subsiguiente, por lo que la presión de la cámara de combustión no está sujeta a grandes fluctuaciones de presión. Una presión constante en la cámara de combustión sólo puede lograrse si las corrientes volumétricas del aire de suministro y de escape pueden regularse en cualquier momento del ciclo de funcionamiento. De acuerdo con la invención, la corriente volumétrica del aire de suministro o de escape del primer quemador regenerativo puede reducirse de forma continua en ciclo contrario al tercer quemador regenerativo, de tal manera que el aumento de la corriente volumétrica del aire de suministro o de escape del tercer quemador regenerativo se produzca en la misma proporción que la reducción de corriente volumétrica del primer quemador regenerativo. El hecho de que la corriente volumétrica del segundo quemador regenerativo que funciona en el modo de funcionamiento respectivamente opuesto permanezca inalterada, durante la variación de corriente volumétrica del primer y tercer quemadores regenerativos que funcionan en modo de combustión o de aspiración, significa que puede tener lugar un suministro continuo de aire de combustión y una aspiración continua de aire de escape manteniendo un caudal total constante del flujo de aire de suministro y de escape. Dado que con ello se dispone en todo momento de una corriente volumétrica de aire de suministro y de aire de escape, la presión de la cámara de combustión puede regularse, por ejemplo, mediante la corriente volumétrica total de aire de escape y/o de aire de suministro en cualquier momento del ciclo de funcionamiento. Gracias al comportamiento ventajoso y de rápida reacción de la regulación de la presión, los ciclos de funcionamiento pueden seleccionarse más cortos en comparación con el estado de la técnica, por lo que los regeneradores de los quemadores regenerativos utilizados tienen una masa térmica menor y pueden construirse de forma más compacta. En este contexto, se obtienen unas condiciones de funcionamiento favorables cuando el nivel de presión de la cámara de combustión se acerca a la presión ambiente. A los efectos de la invención, se entiende por aire de suministro el aire fresco o ambiente suministrado a la cámara de combustión de forma controlada, mientras que por aire de escape se entiende el gas de escape, es decir, la mezcla de gas y aire producida durante el proceso de combustión, junto con el nitrógeno atmosférico y el oxígeno residual.

También se describe un dispositivo con al menos tres quemadores regenerativos, cuyos regeneradores están conectados por flujo a la cámara de combustión en el lado del gas caliente y pueden estar conectados alternativamente a un conducto de aire de suministro y a un conducto de aire de escape a través de una válvula en el lado del gas frío, para llevar a cabo un procedimiento según la invención. Para permitir un buen comportamiento de regulación de la presión de la cámara de combustión en este contexto y para reducir el desgaste inducido térmicamente de los elementos de ajuste para la regulación continua de los flujos de corrientes volumétricas de aire de suministro y de escape, se propone que las válvulas del lado del gas frío estén configuradas como válvulas continuas, de las cuales al menos dos pueden ser activadas en ciclo contrario con la configuración de un circuito cerrado de regulación de la presión de la cámara de combustión. Como resultado de estas características, se evita que las partes mecánicas móviles de las válvulas continuas que actúan como elementos de ajuste, que pueden estar configuradas como clapetas de control, por ejemplo, entren en contacto con el aire de escape caliente de la cámara de combustión, porque se asegura que el aire de escape transfiere su calor al regenerador aguas montado delante de la válvula de ajuste en el lado de los gases calientes, antes de que el aire de escape ya enfriado incida en la válvula continua. Sin embargo, una válvula continua puede entenderse generalmente como cualquier válvula activable, que permite una transición continua de sus posiciones de conmutación para la regulación del flujo. El circuito cerrado de regulación de la presión de la cámara de combustión permite una regulación eficiente de la presión de la cámara de combustión a través de la corriente volumétrica total del aire de escape y/o de suministro por medio de las válvulas continuas que pueden activarse en ciclo contrario. Por ejemplo, cada regenerador puede estar conectado respectivamente a los conductos de aire de suministro y de escape a través de una válvula continua en el lado del gas frío.

Al principio de un ciclo de funcionamiento, el primero de los quemadores regenerativos, por ejemplo, está inicialmente en modo de aspiración que conduce aire de escape, el segundo de los quemadores regenerativos está en modo de combustión que conduce aire de suministro y el tercero de los quemadores regenerativos está en modo de reposo sin flujo. Las respectivas válvulas continuas del lado del gas frío del primer y tercer quemador regenerativo se activan en ciclo contrario de tal manera, que la corriente volumétrica de aire de escape del primer quemador regenerativo disminuye continuamente en la misma proporción como resultado del movimiento de cierre continuo de su válvula continua del lado del gas frío, al igual que la corriente volumétrica de aire de escape del tercer quemador regenerativo, que antes no tenía flujo, aumenta debido al movimiento de apertura continuo de su válvula continua en el lado del gas frío, mientras que la posición de la válvula continua en el lado del gas frío del segundo quemador regenerativo no tiene que modificarse y, por lo tanto, su corriente volumétrica de aire de suministro permanece inalterada. El ciclo de funcionamiento puede continuar, por ejemplo, transfiriendo de forma constante la corriente volumétrica de aire de suministro del segundo quemador regenerativo que funciona en modo de combustión a la corriente volumétrica de aire de suministro del primer quemador regenerativo entretanto sin flujo, de forma análoga al intercambio de corriente volumétrica de aire de escape precedente entre el primer y el tercer quemador regenerativo, mientras que la corriente volumétrica de aire de escape del tercer quemador regenerativo permanece inalterada.

Para permitir un funcionamiento de bajo desgaste y, por lo tanto, intervalos de mantenimiento más largos del dispositivo en condiciones de funcionamiento favorables, las válvulas continuas del lado del gas frío pueden estar conectadas por flujo a los conductos de aire de suministro y de escape a través de una corredera de bloqueo cada una. El uso de robustas correderas de bloqueo como válvulas discretas de encendido/apagado, en contraste con las válvulas continuas, hace posible, por ejemplo, en un dispositivo con tres quemadores regenerativos, tener que prever sólo tres válvulas continuas para la regulación del flujo en lugar de al menos seis, mientras que la conexión alternativa de los respectivos regeneradores con el conducto de aire de suministro o de escape puede entonces tener lugar a través de las correderas de bloqueo.

Se obtienen unas condiciones constructivas y de técnica de regulación particularmente ventajosas, si el conducto de aire de suministro y/o de escape tiene una válvula de control sumatoria para la regulación de corriente volumétrica del flujo de aire total. Esto permite regular la presión de la cámara de combustión a través de, en cada caso, una única válvula continua sumatoria global asignada al conducto de aire de suministro y/o de escape. La válvula continua sumatoria, que está configurada como una clapeta de regulación adicional, por ejemplo, puede estar situada después de un dispositivo de aire de suministro y/o de un dispositivo de aire de escape en la dirección de los quemadores regenerativos.

En el dibujo se ha representado, por ejemplo, el objeto de la invención. Aquí muestran

la figura 1 un esquema de conexiones esquemático de un dispositivo según la invención y

la figura 2 el recorrido temporal de la corriente volumétrica total, el recorrido temporal de las corrientes volumétricas parciales así como el recorrido temporal de la presión total de una cámara de combustión de un dispositivo según la invención para una sección de ciclo de funcionamiento de un procedimiento según la invención.

Un dispositivo según la invención comprende tres quemadores regenerativos 1, 2, 3 para encender una cámara de combustión 4. Los quemadores regenerativos 1, 2, 3 tienen cada uno regeneradores 5, 6, 7 conectados por flujo a la cámara de combustión 4 en el lado del gas caliente. Los regeneradores 5, 6, 7 están precedidos cada uno en el lado de los gases fríos en dirección a la cámara de combustión 4 por unas válvulas continuas 8, 9, 10 configuradas en forma de clapetas de regulación, que están conectadas cada una a un conducto de aire de suministro 14 a través de una corredera de bloqueo 11, 12, 13 en cada caso y a un conducto de aire de escape 18 a través de una corredera de bloqueo 15, 16, 17 en cada caso.

El suministro de aire de combustión, que puede ser conducido y calentado a/por los regeneradores 5, 6, 7 para el funcionamiento de combustión a través del conducto de aire de suministro 14, se efectúa a través de un dispositivo de aire de suministro 19. El aire de escape se aspira a través de un dispositivo de aire de escape 20.

Las válvulas continuas 8, 9, 10 pueden ser activadas cada una por pares en ciclo contrario, con la configuración de un circuito de regulación cerrado para la regulación de la presión de la cámara de combustión 4. La presión de la cámara de combustión 4 se regula, por ejemplo, por medio de una válvula continua sumatoria 21, que se encuentra después del dispositivo de aire de escape 20 en la dirección de la cámara de combustión 4 y está configurada, por ejemplo, como una clapeta de regulación. Para un mejor comportamiento de regulación, también se puede utilizar una válvula continua sumatoria 22 aguas abajo de la cámara de combustión 4. Para calentar la cámara de combustión 4 hasta la temperatura de ignición del gas de combustión de aproximadamente 750°C de forma controlada durante la puesta en marcha inicial, antes de que se conecten los quemadores regenerativos 1, 2, 3, se puede prever un quemador auxiliar adicional 23, que desemboca en la cámara de combustión 4 y está configurado, por ejemplo, como quemador de aire frío.

En la Fig. 2 se han representado, a modo de ejemplo, los recorridos de corriente volumétrica temporales de los quemadores regenerativos 1, 2, 3, así como el recorrido de la presión de la cámara de combustión temporal de un dispositivo según la invención durante una sección del ciclo de funcionamiento de un procedimiento según la invención.

Por ejemplo, el quemador regenerativo 1 funciona inicialmente en el modo de aspiración que conduce el aire de escape, el quemador regenerativo 2 en el modo de combustión que conduce el aire de suministro y el quemador regenerativo 3 en el modo de reposo sin flujo. Las respectivas válvulas continuas 8, 10 en el lado de los gases fríos de los quemadores regenerativos 1, 3 se activan en ciclo contrario de tal manera, que la corriente volumétrica de aire de escape 24 del quemador regenerativo 1 disminuye constantemente en la misma proporción, debido al movimiento de cierre continuo de la válvula continua 8, que la corriente volumétrica de aire de escape 25 del quemador regenerativo 3, previamente libre de flujo, aumenta debido al movimiento de apertura continuo de la válvula continua 10, mientras que la válvula continua 9 no se activa y, por lo tanto, la corriente volumétrica de aire de suministro 26 del quemador regenerativo 2 y, por lo tanto, también la corriente volumétrica total de aire de suministro 27 permanece inalterada. A continuación, la válvula continua 10 se abre de tal manera, que la corriente volumétrica de aire de escape 25 alcanza el nivel anterior de la corriente volumétrica de aire de escape 24, manteniendo constante la corriente total de aire de escape 28, así como una presión constante de la cámara de combustión 28, mientras que la válvula continua 8 se cierra y, por tanto, la corriente volumétrica de aire de escape 23 se detiene. La corriente total de aire de escape 28 puede ser mayor que la corriente total de aire de suministro 27 durante todo el ciclo de funcionamiento.

Para continuar el ciclo de funcionamiento, la conexión del quemador regenerativo 1, ahora sin flujo, al conducto de aire de escape 18 puede cerrarse primero a través de la corredera de bloqueo 15 y la conexión al conducto de aire de suministro 14 puede abrirse a través de la corredera de bloqueo 11. En el siguiente paso, el quemador regenerativo 2 que funciona en modo de combustión puede ser transferido de forma constante a la corriente volumétrica de aire de suministro 30 del quemador regenerativo 1 mediante las válvulas continuas 8, 9, de forma análoga al anterior intercambio de corriente volumétrica de aire de escape entre los quemadores regenerativos 1, 3, mientras que la corriente volumétrica de aire de escape 25 del quemador regenerativo 3 permanece inalterado. Los demás pasos de la sección del ciclo de funcionamiento representada, a modo de ejemplo en la Fig. 2, pueden continuar de forma análoga.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1.- Procedimiento para el encendido continuo de cámaras de combustión (4) con al menos tres quemadores regenerativos (1, 2, 3), en donde cíclicamente, en primer lugar, un primero de los quemadores regenerativos (1, 2, 3) está en funcionamiento de combustión que conduce el aire de suministro y un segundo de los quemadores regenerativos (1, 2, 3) está en funcionamiento de aspiración que conduce el aire de escape, caracterizado porque la corriente volumétrica (24, 26) del aire de suministro o del aire de escape que pasa por el primer o segundo quemador regenerativo se reduce de forma continua y en ciclo contrario a la corriente volumétrica (25) del aire de suministro o del aire de escape que pasa por el tercer quemador regenerativo, a una presión constante de la cámara de combustión, hasta que el primer o segundo quemador regenerativo está libre de flujo.

2.- Dispositivo para llevar a cabo un procedimiento según la reivindicación 1 con al menos tres quemadores regenerativos (1, 2, 3), cuyos regeneradores (5, 6, 7) están conectados por flujo de la cámara de combustión (4) en el lado del gas caliente y pueden conectarse alternativamente a un conducto de aire de suministro (14) y a un conducto de aire de escape (18) a través de una válvula (8, 9, 10) en el lado del gas frío, caracterizado porque las válvulas (8, 9, 10) del lado del gas frío están configuradas como válvulas continuas, de las que al menos dos pueden activarse en ciclo contrario, con la configuración de un circuito de regulación cerrado de de la presión de la cámara de combustión.

3. -Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque las válvulas continuas en el lado del gas frío (8, 9, 10) están conectadas por flujo, a través de una corredera de bloqueo (11, 12, 13, 15, 16, 17) en cada caso, al conducto de aire de suministro (14) y al conducto de aire de escape (18)

4. - Dispositivo según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el conducto de aire de suministro (14) y/o el conducto de aire de escape (18) presentan una válvula continua sumatoria (21, 22) para la regulación de corriente volumétrica de la corriente de aire total.