ES2213338T3 - Sistema de combustion para procesos de calcinacion de mineral a contracorriente. - Google Patents
Sistema de combustion para procesos de calcinacion de mineral a contracorriente.Info
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Abstract
Se realiza una transferencia de calor superior en una estufa utilizando al menos un inyector que inyecta tanto un oxidante, que contiene preferentemente oxígeno, como un combustible secundario en la estufa. Los inyectores están previstos de manera que la energía resultante de la combustión de los diferentes combustibles en el horno calienta regiones específicas del horno, sin provocar puntos calientes en las paredes refractarias. Se describe un esquema de combustión para el oxígeno y los combustibles que permite un aumento del calor liberado hacia la carga, que da como resultado un incremento significativo de la eficiencia y de la producción de la estufa. Se pueden utilizar combustibles de baja calidad, así como utilizar y/o reciclar más polvo insuflado sin efecto secundarios sobre la llama principal.
Description
Sistema de combustión para procesos de
calcinación de mineral a contracorriente.
El presente invento se refiere a nuevos aparatos
y procedimientos para la inyección de oxígeno en un horno
rotativo. Más particularmente, el presente invento se refiere a
aparatos y procedimientos que mejoran significativamente la
combustión en un horno rotativo utilizado para la calcinación de
minerales tales como cemento, cal, dolomía, magnesia, dióxido de
titanio y otros materiales calcinados.
La introducción de oxígeno en un espacio de
combustión, por ejemplo un horno, se utiliza en una diversidad de
industrias para mejorar el proceso de la combustión. Hasta la
fecha, el uso de oxígeno en hornos rotativos ha sido aplicado de
tres maneras principales, bien documentadas en la bibliografía:
introducción de oxígeno en el aire primario, es decir, en el
quemador principal; la utilización de un quemador de oxígeno además
de un quemador de aire estándar; y la inyección de oxígeno mediante
una lanza en el horno rotativo, particularmente en una región
situada entre la carga y la llama, para conseguir características
de llama mejoradas. Uno de los usos más documentados del oxígeno en
los hornos rotativos los describen Wrampe, P. y Rolseth, H.C., en
"El efecto del oxígeno sobre la producción de un horno rotativo y
la economía de combustible: teoría y práctica", en IEEE Trnas.
Ind. App. págs. 568-573 (Noviembre 1976), que
indica que incrementos de la producción de más del 50% dan lugar a
temperaturas excesivas en el horno, pero por debajo de este nivel,
el funcionamiento del horno tiene lugar sin mayores problemas.
Cada método de introducir oxígeno en la
instalación de calcinación tiene sus ventajas, así como ciertas
desventajas. De este modo, la cantidad total de oxígeno que puede
introducirse en el aire primario es limitada, ya que los hornos del
tipo de aire primario constituyen sólo una proporción relativamente
pequeña (5-10%) de los hornos rotativos modernos.
Por tanto, con el fin de incrementar significativamente la cantidad
de oxígeno introducida en el horno, es necesaria una elevada
concentración de oxígeno en la mezcla
aire-combustible. Esto origina potenciales problemas
de seguridad, ya que el combustible se encuentra en contacto con
aire enriquecido significativamente antes de su llegada al espacio
de combustión y, por tanto, puede arder demasiado pronto o,
incluso, provocar explosiones. El uso de quemadores de oxígeno
(oxiquemadores), al tiempo que ofrece el potencial de un
intercambio de calor global mejorado para la carga, puede exigir la
utilización de una gran cantidad de combustible de gran calidad,
caro, en el oxi-quemador para tener un impacto
significativo sobre el producto, por ejemplo, formación de clinker.
Al mismo tiempo, puede limitarse el impacto de la
oxi-llama sobre la combustión del combustible
principal.
La introducción de oxígeno en el aire primario en
un horno limita drásticamente la cantidad de oxígeno que puede
introducirse en el horno y, al mismo tiempo, sólo mejora
uniformemente la combustión en todo el volumen del horno. Las
ventajas de utilizar oxígeno se ven reducidas, por tanto, por el
sobrecalentamiento de las paredes del horno, resultante del
incremento uniforme de la transmisión de calor al volumen del
horno, sin transmitir de manera preferente calor a la carga. Se
obtiene el mismo efecto cuando hay lanzas de oxígeno instaladas en
el quemador principal.
El uso de un oxi-quemador
separado representa un método más complicado para incrementar la
transmisión térmica a la carga que, típicamente, requiere
cantidades incrementadas de combustible de calidad, tal como gas
natural. Aunque el uso de lanzas supone potencialmente mejoras en
los diseños de llama, solamente ofrece posibilidades limitadas. Así,
cuando se utilizan lanzas situadas en el quemador principal, la
llama radia en todas direcciones con la misma intensidad,
proporcionando una gran parte del calor directamente a las paredes,
sobrecalentando así las paredes del horno. De esta forma, el calor
de gran calidad proporcionado por la oxi-llama
tiene una mala utilización, con las consiguientes pérdidas de
eficacia del horno. La disposición de las lanzas entre el quemador
y la llama ha corregido parcialmente este problema, pero tiene como
resultado que el combustible y el oxígeno se mezclan adicionalmente
en el horno, lo que tiene como consecuencia una llama más larga,
menos radiante. Además, la llama tiende a tocar las paredes del
horno en una región en donde sobrecalienta la pared sin tener un
gran impacto térmico sobre la carga.
El uso anterior de lanzas entre la llama y la
carga representa, por tanto, un método relativamente común de
enriquecer el aire de combustión. Si bien este método de inyección
de oxígeno puede tener un efecto beneficioso sobre el proceso de
combustión en el horno, no aporta la posibilidad de optimizar
localmente la transmisión de calor a la carga, principalmente
porque el combustible se quema de la misma forma en ausencia de
oxígeno. Asimismo, este método tiene un efecto limitado en
situaciones en que es importante el aislamiento del polvo, o cuando
el combustible es de muy mala calidad. Las lanzas han sido
investigadas a través de diversas patentes, incluyendo las patentes
norteamericanas núm. 5.572.938, núm. 5.007.823, núm. 5.580.237, y
núm. 4.741.694. El uso de un quemador de oxígeno en un horno para
dolomía ha sido propuesto por la patente norteamericana núm.
3.397.256.
Finalmente, la patente norteamericana núm.
4.354.829 describe mezclar aire y oxígeno en un conducto separado e
introducir la mezcla a través de las paredes en movimiento de un
horno rotativo. Esta solución tropieza con varios problemas, entre
los que se encuentran la dificultad de crear una cámara impelente
libre de fugas que gire con el horno, y la dificultad de instalar
tubos en el horno. Desde luego, la introducción de la mezcla
aire-oxígeno en la forma sugerida por la patente
norteamericana núm. 4.354.829 da como resultado características de
combustión desfavorables, porque el lugar en donde se introduce la
mezcla puede impedir, realmente, el proceso de combustión. Además,
el aire que entra en el horno rotativo es frío, por lo que se
introducen tensiones adicionales en el horno rotativo que pueden
dañar su estructura sumamente costosa, etc.
Ya se ha mostrado que el uso general de oxígeno
en hornos rotativos incrementa la producción, comenzando por el
trabajo de Gaydas, R. A., "Enriquecimiento con oxígeno del aire
para la combustión en hornos rotativos", en Journal of the PCA R
& D Laboratorios, 49-66 (Septiembre de 1965).
Este informe presenta resultados de pruebas realizadas en un
período comprendido entre 1960 y 1962. Gaydas menciona que Geissler
sugirió, ya en 1903, que se utilizase oxígeno para la producción de
clinker.
De acuerdo con una primera realización
ilustrativa del presente invento, un aparato útil para producir
clinker comprende un horno rotativo que tiene una entrada de
material y una salida de clinker, un quemador principal posicionado
junto a dicha salida de clinker para emitir una llama con el fin de
calentar el interior de dicho horno rotativo, un inyector junto a
dicho quemador principal, teniendo dicho inyector un eje geométrico
longitudinal y comprendiendo un paso para la circulación de
oxidante, que tiene, y se extiende entre, una entrada de oxidante y
una salida de oxidante secundario, un paso para circulación de
oxidante primario que tiene una salida de oxidante primario, al
menos un conducto para circulación de combustible secundario que
tiene, y se extiende entre, una entrada de combustible secundario y
al menos una salida de combustible secundario, en el que dicha
salida del paso para circulación de oxidante primario forma un
ángulo con dicho eje geométrico longitudinal comprendido entre
aproximadamente -20° y aproximadamente 90°, en el que dicha al
menos una salida de combustible secundario y dicha salida de
oxidante secundario, forman un ángulo de desde 0° aproximadamente
a
-90° aproximadamente.
-90° aproximadamente.
De acuerdo con una segunda realización
ilustrativa del presente invento, un procedimiento para formar
clinker en un horno rotativo comprende las operaciones de mover el
material a través de un horno rotativo siguiendo un trayecto de
material que se extiende a través de dicho horno hasta una salida
del material, calentar dicho material con la llama de un quemador
principal, suficientemente próxima a dicha salida del material para
transmitir calor a éste, inyectar un oxidante primario en la llama
del quemador principal, y calentar el material junto a la salida del
mismo con una llama secundaria dirigida de manera que se aleje,
sustancialmente, de la llama del quemador principal.
Un objeto del presente invento es proporcionar un
aparato eficaz y procedimientos para introducir un oxidante, por
ejemplo oxígeno o aire enriquecido en oxígeno, en un horno, por
ejemplo un horno rotativo, en una forma que mejore las
características de la llama y la transmisión de calor a la
carga.
Otro objeto del presente invento es proporcionar
un aparato que permita conseguir un proceso de combustión
superior, así como una transmisión de calor incrementada a la
carga, con aplicación en particular a procesos a alta temperatura
en los que el producto final haya de ser calentado hasta unos
1371°C (2500°F) y, preferiblemente, a más de 1649°C (3000°F).
Realizaciones ilustrativas del presente invento son útiles en
procedimientos y aparatos para calcinar mineral a
contracorriente.
El presente invento mejora la combustión en un
horno, preferiblemente en un horno rotativo, por medio de
oxi-combustión. Se inyecta oxígeno en el horno, con
lo que se consigue una transmisión de calor incrementada a la
carga sin sobrecalentar significativamente las paredes del horno.
El aparato y los procedimientos del presente invento también llevan
a conseguir una combustión mejorada en el quemador principal,
permitiendo ahorros de combustible y la reducción de las
emisiones.
Este invento proporciona mejoras en los
procedimientos de inyección de oxígeno en un horno rotativo e
incluye un aparato para este fin. Los procedimientos y el aparato
de acuerdo con el presente invento proporcionan, preferiblemente,
oxígeno al horno para conseguir un efecto máximo, en términos de
combustión y de transmisión de calor a la carga. Así, se inyecta
una cierta cantidad de un oxidante, denominado en lo que sigue
"oxígeno primario" hacia el combustible emitido desde el
quemador principal. El oxidante incluye, al menos, un 21%
aproximadamente de oxígeno, preferiblemente al menos un 90%
aproximadamente de oxígeno y, más preferiblemente, al menos un 99%
aproximadamente de oxígeno. El oxígeno primario mejora el proceso
de combustión de este combustible, de forma que se obtenga una
combustión completa, así como una llama estable, luminosa y, de
preferencia, relativamente corta. Una corriente de circulación
adicional de oxígeno, denominada en esta memoria "oxígeno
secundario" y un combustible secundario, son inyectados con
ángulos diferentes en el horno, con el fin de proporcionar una
llama corta, muy luminosa, diseñada para ayudar en forma eficaz al
proceso de formación de clinker, previamente a la salida del clinker
del horno rotativo.
El papel del oxígeno secundario es muy
importante, tanto para conseguir un tratamiento apropiado del
clinker como para conseguir una ignición y una combustión óptimas
del combustible primario. La oxi-llama secundaria
proporciona una importante cantidad de calor para el combustible
primario, lo que lleva a un calentamiento y una ignición rápidos de
la mezcla aire-combustible-oxígeno
primario, asegurándose así un proceso de combustión efectivo y
completo del combustible primario. Esto, a su vez, permite que el
aparato y los procedimientos del presente invento traten mayores
cantidades de polvo insuflado que los hornos anteriores empleando
los mismos caudales de combustible, y reduce la cantidad de
combustible que se necesita para mantener las tasas de transmisión
de calor del horno.
El presente invento proporciona numerosas
ventajas adicionales con respecto a las disposiciones de horno de
la técnica anterior. El combustible utilizado en el quemador
principal del presente invento puede ser de inferior calidad, con
un mayor contenido de cenizas o de agua, al tiempo que se conservan
los niveles deseados de transmisión de calor. El proceso de
combustión se ve facilitado por lo menos de dos maneras, por el
presente invento: precalentamiento del combustible, el aire
primario y el aire secundario para conseguir una ignición rápida; y
aportación de oxígeno al combustible principal para proporcionar
una combustión eficiente.
Además, el horno rotativo puede hacer recircular
en forma más eficiente el polvo que es arrastrado en los gases de
chimenea, porque la carga térmica incrementada para el combustible
principal proporcionada por la combustión del oxígeno
secundario-combustible secundario, contrarresta los
efectos inhibitorios del aislamiento contra el polvo en la
combustión del combustible principal. El flujo de oxígeno primario,
si no es ayudado por la corriente de oxígeno
secundario-combustible secundario del presente
invento, no asegura de manera eficiente que se conseguirá la
recirculación del polvo antes de la ignición del combustible.
Además, el oxígeno secundario y el combustible
secundario proporcionan una terminación eficaz del proceso de
formación del clinker, aumentando su temperatura hasta el nivel
deseado en distintas posiciones a lo largo del trayecto que recorre
el clinker a través del horno. De preferencia, el hecho de aportar
calor a la carga de clinker en la última etapa del proceso de
formación de clinker, es decir, inmediatamente antes de salir del
horno, reduce en forma significativa la carga térmica global para
el horno rotativo, consiguiéndose una reducción del gasto de
combustible y un incremento de la producción sustanciales.
El presente invento limita, también, el
sobrecalentamiento de las paredes del horno. El calor preferencial
liberado por el proceso de combustión del combustible secundario y
el oxígeno secundario está diseñado, en particular, para calentar
localmente la carga del horno, así como el combustible principal,
en una región situada en la proximidad del quemador principal. El
chorro de mezcla combustible-aire
primario-oxígeno primario protege la región
superior del horno, es decir, la parte de la pared en el lado de la
llama principal opuesto a la contra los mayores niveles térmicos
originados por la oxi-llama de la combustión del
combustible-oxígeno secundarios. Este proceso de
combustión secundario libera la mayor parte de su calor hacia la
carga, evitando la formación de focos calientes en el refractario
del horno lo cual, a su vez, redunda en una combustible, un gasto
inferior en combustible y una vida en servicio mejorada del
refractario. Pueden conseguirse incrementos en los regímenes de
producción del horno de hasta el 25%.
Todavía otros objetos, características y ventajas
esperadas del presente invento resultarán evidentes para los
expertos en la técnica a partir de la lectura de la siguiente
descripción detallada de realizaciones construidas de acuerdo con
él, tomadas en conjunto con los dibujos adjuntos.
El invento objeto de la presente solicitud se
describirá ahora con mayor detalle haciendo referencia a
realizaciones preferidas del aparato y del método, dados únicamente
a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los
que:
la Fig. 1 es una ilustración esquemática de un
horno rotativo ilustrativo de acuerdo con el presente invento;
la Fig. 2 muestra esquemáticamente partes de una
realización ilustrativa de un inyector (quemador secundario) de
acuerdo con el presente invento;
la Fig. 3 es una vista de extremo del quemador
ilustrado en la Fig. 2;
la Fig. 4 muestra esquemáticamente una
realización quemador secundario de acuerdo con el presente
invento;
la Fig. 5 es una vista de extremo de partes del
quemador ilustrado en la Fig. 4;
la Fig. 6 es otra vista de extremo de partes del
quemador ilustrado en la Fig. 4;
la Fig. 7 representa una vista de extremo de una
alternativa del quemador ilustrado en la Fig. 4;
la Fig. 8 ilustra esquemáticamente un horno
rotativo que incorpora los quemadores mostrados en las Figs.
2-7;
la Fig. 9 ilustra esquemáticamente otra
realización de un horno rotativo que incorpora los quemadores
ilustrados en las Figs. 2-7;
la Fig. 10 muestra esquemáticamente partes de
otra de un quemador secundario de acuerdo con el presente
invento;
la Fig. 11 es una vista de extremo del quemador
representado en la Fig. 10; y
la Fig. 12 ilustra esquemáticamente un horno
rotativo que incorpora el quemador representado en las Figs. 10 y
11.
Haciendo referencia a las figuras de los dibujos,
números de referencia similares designan elementos idénticos o
correspondientes en todas las diversas figuras.
La Figura 1 ilustra, esquemáticamente, un proceso
de calentamiento resultante de la aplicación del presente invento
a un horno rotativo 10. El calor liberado en el horno se divide en
dos etapas principales, que se designan de acuerdo con su impacto
temporal sobre el clinker. El oxidante que se inyecta en el horno
de acuerdo con las realizaciones ilustrativas del presente invento,
incluye al menos un 21%, aproximadamente, de oxígeno,
preferiblemente al menos un 90% de oxígeno y, más preferiblemente
al menos un 99% , aproximadamente, de oxígeno. La primera etapa 12
es proporcionada por la combustión de la mezcla 18 de
combustible-aire-oxígeno primario,
que tiene su origen en el quemador principal 14 y el chorro 20 de
inyección de oxígeno primario de este invento. La segunda etapa 16
es proporcionada por la combustión de los chorros 22 de combustible
secundario-oxígeno secundario, y está diseñada para
completar de manera eficiente el proceso de formación de clinker,
antes de la salida del horno del producto terminado. Parte del
calor proporcionado por este proceso de combustión secundario es
utilizado, el quemador principal, con fines de calentamiento y de
ignición. El calor resultante de la combustión del combustible
secundario-oxígeno secundario juega un papel
significativo en el precalentamiento de los reactivos que salen del
quemador principal 14. Como lo sugiere la Fig. 1, el chorro 18 de
combustible principal-aire primario tiene una
misión aislante para con las paredes refractarias 24 del horno
rotativo, al absorber una cantidad importante del calor liberado a
partir del proceso de combustión del combustible
secundario-oxígeno secundario.
Según se ilustra también en la Fig. 1, el horno
10 es alimentado con material crudo 26 para el proceso de formación
del clinker, que tiene lugar a lo largo del trayecto 28 de
circulación del material a través del horno. El aire primario 32 es
introducido en el horno a través del quemador 14, de manera
opcional forzado mediante una soplante 34 de aire primario. El aire
secundario 36 penetra en el horno 10, forzado opcionalmente por
soplantes 38 de aire secundario. El gas 30 de chimenea producido
por los quemadores, circula saliendo del horno rotativo 10 por el
extremo superior 40, mientras que el clinker caliente sale del
horno siguiendo el trayecto 28 de circulación por el extremo
inferior 42 del horno.
Un inyector secundario 50 de acuerdo con el
presente invento está posicionado en el extremo inferior 42 del
horno 10 y suministra combustible secundario, oxígeno secundario y
oxígeno primario al horno. Los chorros 22 de combustible
secundario-oxígeno secundario y el chorro 20 de
oxígeno primario salen del inyector 50, como se describirá más
completamente en lo que sigue. Como se ilustra en la Fig. 1, los
chorros 22 de combustible secundario-oxígeno
secundario, son dirigidos hacia el trayecto 28 de circulación y,
por tanto, al clinker precalentado (no ilustrado en la Fig. 1),
pasando a lo largo del mismo. La transmisión de calor desde la
combinación del quemador principal 14 y el inyector 50, produce una
serie de efectos sobre el material que pasa a lo largo del trayecto
28 de circulación, viniendo catalogados los efectos de manera
aproximada por las siguientes zonas del horno 10: una zona de
secado 52, en la que el agua y otras sustancias volátiles son
expulsadas del material crudo; una zona 54 de precalentamiento en
la que la temperatura del material crudo, seco, procedente de la
zona de secado 52 es elevada hasta un valor predeterminado; una
zona 56 de calcinación y una zona 58 de combustión, en la que tiene
lugar el proceso final de formación del clinker antes de salir del
horno.
La Fig. 2 muestra esquemáticamente una primera
realización ilustrativa de un inyector 50 de acuerdo con el
presente invento. La orientación del inyector 50 está invertida en
la Fig. 2 con relación a su orientación en la Fig. 1. El inyector
50 incluye un cuerpo 60 con varios pasos de flujo formados en él
para dirigir el flujo de los diversos chorros de gas a su través.
El cuerpo 60 incluye un paso 62 para oxígeno que tiene una entrada
64, una salida 66 de oxígeno primario, y una salida 68 de oxígeno
secundario. Un paso 70 de flujo de combustible secundario, por
ejemplo una lanza, se extiende a través del cuerpo 60 y termina en
la salida 68 de oxígeno secundario.
La salida 66 de oxígeno primario y la salida 68
de oxígeno secundario y el paso 70 de flujo de combustible
secundario forman ángulo, de preferencia, con respecto a un eje
geométrico longitudinal del cuerpo 60 para dirigir los chorros de
oxígeno y de oxígeno-y- combustible hacia la llama
del quemador principal y el clinker precalentado, respectivamente.
Así, el oxígeno primario circula saliendo del inyector 50 en un
ángulo con el eje geométrico longitudinal del cuerpo 60,
garantizando la dirección del flujo un impacto máximo sobre el
proceso de combustión del combustible primario inyectado a través
del quemador principal. El oxígeno secundario y el combustible
secundario salen del dispositivo formando un ángulo \beta,
seleccionado de tal forma que el calor liberado por su combustión,
cumplen los objetivos deseados, a saber, proporcionar calor a la
carga, al combustible principal, o a ambos. La relación entre el
flujo másico del oxígeno primario y el del secundario, así como los
diferentes caudales a través del cuerpo 60, se preparan basándose
en la aplicación particular para la que se utiliza el horno, y para
la máxima eficacia con los caudales más bajos posibles, como será
fácilmente evidente para un experto en la técnica.
El inyector 50 cumple al menos dos funciones
distintas y complementarias. De acuerdo con un primer uso preferido
del inyector 50, caudales másicos de oxígeno relativamente bajos a
través de la salida 68 de oxígeno secundario (con una cantidad
estequiométrica asociada de combustible secundario) hacen posible
que la llama secundaria 22 (véase la Fig. 1) actúe como piloto para
la llama principal 18 lo cual, por tanto, estabiliza la llama
principal. Por tanto, la llama principal 18 puede acomodar una
recirculación (insuflación) de polvo mayor que sin la presencia del
oxígeno primario, lo que da lugar a una producción superior del
horno. El resto del oxígeno oxígeno circula, por tanto, saliendo por
la salida 66 de oxígeno primario, lo cual ayuda a que la combustión
del combustible primario sea completa. De acuerdo con esta primera
función ilustrativa, la cantidad relativa de oxígeno que circula
saliendo por la salida 68 de oxígeno secundario, está comprendida
entre aproximadamente un 1% y aproximadamente un 50% del flujo
total de oxígeno, preferiblemente entre un 10% y un 20%,
aproximadamente.
De acuerdo con un segundo uso preferido del
inyector 50, la llama secundaria de oxi-combustible
22 proporciona una cantidad significativa de transmisión de calor,
tanto al material del horno 10 como a la llama principal 18, para
calentar el material hasta un nivel final deseado por encima de una
temperatura conseguida mediante la llama principal. De acuerdo con
esta segunda función, el oxígeno secundario está entre
aproximadamente un 50% y aproximadamente un 99% del oxígeno que
circula por el paso 62 de flujo de oxígeno, de preferencia entre el
80% y el 90%, aproximadamente. Cuando se utiliza de acuerdo con
esta segunda función, pueden conseguirse temperaturas del producto,
por ejemplo, clinker, extremadamente elevadas con un consumo de
combustible global inferior al de hornos de la técnica anterior,
debido a que las temperaturas extremadamente elevadas necesarias
para la producción de clinker, están limitadas a un pequeño espacio
del volumen del clinker. Además, este espacio está efectivamente
aislado por la llama principal 18 que evita el sobrecalentamiento
del refractario del costado de la llama principal opuesto a la
dirección de la llama 22 de oxi-fuel secundaria, lo
cual prolonga la vida en servicio del refractario y concentra la
transmisión de calor al clinker. Además, el intenso calor
conseguido en la pequeña zona por la llama 22 de
oxi-combustible secundaria ayuda, además, a
estabilizar la llama principal 18, calentando el oxígeno primario,
el aire primario, y el combustible primario cuando sale por el
quemador principal 14. Además, el clinker extremadamente caliente
producido mediante el presente invento, es enfriado en parte por el
aire secundario 36 que, por tanto, es precalentado por el clinker,
lo que también facilita la combustión completa y la reducción de
las emisiones globales de NO_{x}.
De acuerdo con el presente invento, está
comprendido entre -20° y 90°, aproximadamente (indicando el signo
negativo un ángulo por debajo de la horizontal o eje longitudinal),
preferiblemente entre -10° y 50°, aproximadamente, y más
preferiblemente entre -10 y +10°, aproximadamente, está comprendido
entre 0° y -90°, aproximadamente, de preferencia entre -3° y -75°,
aproximadamente y, del modo más preferible, entre -3° y -60°,
aproximadamente. Aunque en las Figs. 2 y 3 se ilustra
esquemáticamente, el cuerpo 60 puede estar construido de cualquier
forma consistente con su empleo en un horno. Por ejemplo, el cuerpo
60 puede estar formado por tubos coaxiales, material refractario
para altas temperaturas, colado, mecanizado, metales con camisa de
líquido o por cualquier otro material adecuado, como será
fácilmente evidente para un experto normal en la técnica.
La Fig. 4 muestra esquemáticamente otra
realización ilustrativa de un inyector de acuerdo con el presente
invento. Como se ilustra en la Fig. 4, un inyector 80 incluye un
cuerpo 82 que tiene definidos en él varios pasos de circulación de
fluido. A diferencia del inyector 50 descrito en lo que antecede,
el inyector 80 proporciona pasos de circulación separados para el
oxígeno primario y oxígeno secundario. Los pasos separados están
previstos para permitir un control más fácil de los caudales de
oxígeno que circulan a su través, como apreciarán fácilmente los
expertos normales en la técnica. Específicamente, el cuerpo 82
incluye un paso 84 para la circulación de oxígeno primario que
tiene una entrada 86 y una salida 88. Aunque por sencillez se ha
ilustrado la salida de oxígeno primario con un ángulo =0°, \alpha
puede seleccionarse para que sea cualquier ángulo, como se ha
descrito en lo que antecede, para adecuarse a la geometría
particular del horno y al uso de éste.
El cuerpo 82 incluye, además, un paso 90 separado
para circulación de oxígeno secundario que tiene una entrada 92 y
una salida 94. Un paso 96 para circulación de combustible
secundario, que tiene una entrada 98 y una salida 100, se extiende
a través del cuerpo 82. Como se ha ilustrado en la Fig. 4, el paso
96 para circulación de combustible secundario se extiende a través
del paso 90 para circulación de oxígeno secundario, pero está
aislado respecto a él y, de preferencia, es sustancialmente coaxial
con él. Alternativamente, el paso 96 para circulación de
combustible secundario puede extenderse a través del cuerpo 82 y
unirse con el paso 90 para circulación de oxígeno secundario
solamente junto a la salida 100. Alternativamente, el paso 90 puede
utilizarse para conducir combustible y el paso 96 puede utilizarse
para conducir oxígeno. El combustible secundario procedente del
paso 96 y el oxígeno procedente del paso 90 salen del cuerpo 82 y
forman la llama secundaria 22. La Fig. 5 ilustra una vista de
extremo de la salida 88 de oxígeno primario, mientras que la Fig. 6
ilustra una vista de extremo de la salida 94 de oxígeno secundario
y la salida 100 de combustible secundario, tomada por la línea
6-6
de la Fig. 4.
de la Fig. 4.
La Fig. 7 ilustra una vista de extremo, similar a
la representada en la Fig. 6, de un inyector 102, algo parecido al
inyector 80. El inyector 102 incluye un paso de circulación de
oxígeno primario (no ilustrado), sustancialmente similar al paso 84
de circulación de oxígeno primario. El inyector 102 incluye un paso
104 de oxígeno secundario sustancialmente similar al paso 90 de
oxígeno secundario y un paso 106 de combustible secundario que
tiene un par de salidas 108, 110, diametralmente opuestas. El paso
106 de combustible secundario es sustancialmente similar al paso 96
de combustible secundario, excepto por las dos salidas 108, 110
diametralmente opuestas. Cuando sale combustible por las salidas
108, 110 y se combina con oxígeno procedente del paso 104 de
oxígeno secundario, el chorro que sale de éste y los chorros
convergentes de combustible procedentes de las salidas 108, 110,
forman una llama secundaria 112 plana, muy luminosa. La llama plana
112 puede describirse, también, como en forma de abanico, por
cuanto se abre desde el punto de convergencia de los chorros de
combustible procedentes de las salidas 108, 110. Si bien la llama
22 secundaria es, generalmente, de forma cónica o troncocónica, la
llama plana 112 es relativamente pequeña a lo largo de una primera
dirección 114, pero relativamente grande a lo largo de una segunda
dirección 116. La dirección larga 116 de la llama secundaria plana
112 se orienta, preferiblemente, en parte según el eje geométrico
largo del horno 10 orientando las salidas 108, 110, como lo
apreciarán fácilmente los expertos normales en la técnica. Así, con
la llama plana 112 orientada a lo largo del horno 10, se conseguirá
un calentamiento relativamente intenso merced a partes de la llama
plana que inciden sobre el clinker, muy cerca de las salidas 108,
110, calentamiento que disminuye continuamente en el clinker que se
encuentra más hacia atrás en el horno. La llama secundaria plana
112 contribuye, por tanto, a conseguir una transmisión de calor
continua y gradualmente creciente hacia el clinker que se mueve a
lo largo del trayecto de circulación 28 (véase la Fig. 1), al
tiempo que reduce la transmisión de calor a las paredes de
refractario del horno.
La Fig. 8 ilustra el funcionamiento y el papel de
un horno 10 que incorpora los inyectores 50, 80 ó 102 en él, para
calentar clinker 120. El inyector 50, 80 ó 102 está situado,
preferiblemente en una región comprendida entre la entrada de aire
secundario y el quemador principal 14, con el fin de proporcionar
oxígeno al chorro de combustible principal en un lugar conveniente
para optimizar el perfil térmico de la carga y las características
de la llama, por ejemplo, longitud, luminosidad, etc. El ángulo
(véase la Fig. 2) se selecciona de tal forma que el efecto de la
llama secundaria 22. 112 proporcionada por la mezcla oxígeno
secundario-combustible secundario, sea máximo, es
decir, una transmisión de calor incrementada a la carga, una
transmisión de calor incrementada a la llama principal, o ambas
cosas. Como se ha descrito en lo que antecede, la posición del
inyector 50, 80 ó 102 precalienta también el aire secundario antes
de que se mezcle con el combustible principal. El presente invento
proporciona un calentamiento intenso provocado por la mezcla
combustible secundario-oxígeno secundario orientada
hacia la carga justamente antes de que el clinker salga hacia el
enfriador (no ilustrado). Al mismo tiempo, el oxígeno primario
facilita el proceso de combustión del combustible principal,
proporcionando el oxígeno en un lugar óptimo dentro del espacio de
combustión.
La Fig. 9 ilustra una realización alternativa de
un horno 10 que incorpora el inyector 50, 80 ó 102. En la
realización ilustrada en la Fig. 9, el inyector 50, 80 ó 102 está
situado dentro del quemador principal y se utiliza, de preferencia,
en hornos rotativos que emplean combustible de calidad reducida,
para los que se requieren cantidades significativas de calor para
lograr su ignición y una buena llama, con relación a hornos que
queman combustibles de calidad superior, tales como gas natural.
Situando el inyector 50, 80 ó 102 en el quemador principal, la
llama secundaria 22, 112 que se origina en la combustión de
combustible secundario-combustible secundario para
calentar más intensamente la mezcla aire-combustible
primario, permite conseguir una ignición más rápida del combustible
primario debido a la mayor proximidad, solapamiento e intersección
de las trayectorias de los chorros. La realización ilustrada en la
Fig. 9 es preferible en aplicaciones con una intensa insuflación de
polvo, porque la llama secundaria 22, 112 contrarresta los efectos
inhibitorios del polvo sobre la estabilidad de la llama principal
118. La realización ilustrada en la Fig. 9 es también preferible
para uso con hornos que utilizan combustible de baja calidad (por
ejemplo, cubiertas de neumático recicladas), en los que el proceso
de ignición exigen una aportación de calor significativa.
Las Figs. 10 y 11 ilustran esquemáticamente
todavía otra realización de acuerdo con el presente invento. Un
inyector 130, ilustrado en sección en la Fig. 10 es algo parecido
al inyector 50 ilustrado en las Figs. 2 y 3. El inyector 130 puede
utilizarse en forma similar a los inyectores 50, 80 y 102. El
inyector 130 incluye varios pasos de circulación de fluido a través
del cuerpo 132. Un paso 134 para circulación de oxígeno primario
incluye una entrada 136 de oxígeno y una salida 138 de oxígeno. La
salida 138 de oxígeno desemboca del cuerpo 132 formando un ángulo
que se selecciona para que se encuentre dentro de los mismos
márgenes anteriormente descritos con respecto al ángulo en la Fig.
2.
Un paso superior 140 para circulación de oxígeno
secundario se extiende a través del cuerpo 132 desde una entrada
superior 142 de oxígeno secundario hasta una salida superior 144 de
oxígeno secundario. Una lanza o conducto 146 superior, para
circulación de combustible secundario se extiende a través del paso
superior 140 para circulación de oxígeno secundario, e incluye una
entrada 148 y una salida 150. La salida superior 144 de oxígeno
secundario y la salida superior 150 de combustible secundario
desembocan del cuerpo 132 formando un ángulo y que está comprendido
entre 0° y unos 90°, preferiblemente entre unos 3° y unos 45°, y
del modo más preferible, entre unos 3° y unos 25°, respecto a un
eje geométrico longitudinal u horizontal del cuerpo 132.
Un paso inferior 152 para circulación de oxígeno
secundario se extiende a través del cuerpo 132 desde una entrada
inferior 154 de oxígeno secundario hasta una salida inferior 156 de
oxígeno secundario. Una lanza o conducto 158 inferior para
circulación de combustible secundario se extiende a través del paso
inferior 152 para circulación de oxígeno secundario e incluye una
entrada 160 y una salida 162. La salida inferior 156 de oxígeno
secundario y la salida inferior 162 de combustible secundario,
desembocan del cuerpo 132 en un ángulo seleccionado para que se
encuentre dentro de los mismos márgenes descritos en lo que
antecede con respecto al ángulo en la Fig. 2.
El inyector 130 está construido y se utiliza,
preferiblemente, para aplicaciones en las que existen condiciones
extremas, por ejemplo, cuando se requieren regímenes elevados de
transmisión de calor para el quemador principal y para la carga de
clinker. El inyector 130 proporciona dos chorros separados de
combustible secundario-oxígeno secundario,
quemándose un chorro inferior con un ángulo por debajo de la
horizontal, como se ha descrito con anterioridad con referencia al
inyector 50 en la Fig. 2, para proporcionar una transmisión de
calor incrementada a la carga de clinker. El chorro superior arde
formando un ángulo hacia la llama principal 18, con el fin de
proporcionar un régimen incrementado de transmisión de calor para
el chorro de aire-combustible primario. De acuerdo
con todavía otra realización (no ilustrada) las lanzas o conductos
146, 158 superior y/o inferior para combustible secundario, pueden
estar formadas con salidas dobles, similares a las salidas 108, 110
anteriormente descritas con referencia a la Fig. 7, para producir
una llama secundaria plana, por las razones y para conseguir los
beneficios descritos anteriormente.
La realización ilustrada en las Figs. 10 y 11 se
utiliza, preferiblemente en aplicaciones en las que existen
condiciones de combustión muy adversas para el combustible
principal, tales como grandes cantidades de polvo insufladas en el
horno, que pueden tener un efecto de realización ilustrada en las
Figs. 10 y 11 permite un mejor control de los diversos caudales de
oxígeno y combustible, permitiendo así una optimización más
refinada del consumo de oxígeno y de combustible, lo que da lugar a
una eficacia mejorada de todo el proceso. Además, dado que se
mejora la estabilidad de la llama principal 18 por la provisión del
flujo superior secundario de oxígeno y combustible, puede mejorarse
notablemente la eficacia de un horno que incorpora el inyector
130.
La Fig. 12 ilustra esquemáticamente un horno 10
que incorpora un inyector 130 en él, en forma similar a la Fig. 8.
Se ilustra claramente el efecto de la llama adicional de
combustible secundario-oxígeno secundario sobre el
chorro de aire-combustible principal, que da lugar
a la rápida ignición del combustible primario, incluso en
condiciones muy adversas. La relación entre los dos caudales de
oxígeno secundario-combustible secundario se
selecciona, preferiblemente, para hacer que sea máximo el
rendimiento del horno; así, para aplicaciones que requieran una
gran cantidad de insuflación de polvo o que quemen combustible de
baja calidad, a la llama secundaria superior se le asigna una
proporción mayor del combustible y el oxígeno secundarios.
Alternativamente, para aplicaciones que requieran temperaturas más
altas de la carga y una mayor transmisión de calor a la misma, a la
llama secundaria inferior se le asigna una mayor proporción del
oxígeno y el combustible.
Generalmente, los caudales de oxígeno que pueden
utilizarse con los inyectores del presente invento pueden variar
dentro de márgenes muy amplios y se seleccionan basándose en la
geometría particular del horno y en las condiciones de
funcionamiento. Preferiblemente, los caudales de oxígeno para los
pasos de circulación de oxígeno primario y secundario se encuentran
entre unos 135,1 m^{3}N/h (unos 5000 pies cúbicos normales por
hora) y unos 4054 m^{3}N/h (unos 150.000 pies cúbicos normales
por hora), siendo estequiométricos los caudales de combustible
secundario que acompañan al flujo de oxígeno secundario.
Claims (23)
1. Un aparato útil para producir clinker, que
comprende:
un horno rotativo que tiene una entrada (26) de
material y una salida de clinker;
un quemador principal para emitir una llama y
posicionado lo bastante cerca de dicha salida de clinker para
calentar una carga en el interior del mencionado horno rotativo;
un inyector (50, 80) adyacente a dicho quemador
principal, teniendo dicho inyector un eje geométrico longitudinal y
que comprende:
un paso (62, 90) para la circulación de oxidante
que tiene una entrada (64, 92) de oxidante y una salida (68, 94) de
oxidante secundario y que se extiende entre ellas;
un paso (62, 84) para circulación de oxidante
primario que tiene una salida (66, 88) de oxidante primario;
al menos un conducto (70, 96) para circulación de
combustible secundario que tiene una entrada (98) de combustible
secundario y al menos una salida (100) de combustible secundario, y
que se extiende entre ellas;
en el que dicha salida (66, 88) del paso para
circulación de oxidante primario se dispone formando un ángulo
\alpha con dicho eje geométrico longitudinal comprendido entre
-20° y 90°; y
en el que dicha al menos una salida (100) de
combustible secundario y dicha salida (68, 94) de oxidante
secundario, se disponen formando un ángulo \beta comprendido entre
0° y -90°.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que dicho ángulo \alpha es de entre -10° y 50°.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que dicho ángulo \alpha es de entre -10° y 10°.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que dicho ángulo \beta es de entre -3° y -75°.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 4,
en el que dicho ángulo \beta es de entre -3° y -60°.
6. Un aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho paso para circulación de
oxidante primario se encuentra en comunicación de fluido con dicho
paso para circulación de oxidante.
7. Un aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que dicha al menos una salida de
combustible secundario comprenden dos salidas de combustible
secundario que están dirigidas parcialmente una hacia otra, en el
que cuando salen los flujos de combustible secundario de dichas dos
salidas de combustible secundario y sale dicho oxidante de dicha
salida de oxidante secundario, se produce una llama relativamente
plana.
8. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 7,
en el que dichas dos salidas de combustible secundario están
dispuestas y dirigidas de tal forma que dicha llama relativamente
plana comprende una dimensión larga en sección transversal y una
dimensión corta en sección transversal, estando dichas dimensiones
larga y corta en sección transversal orientadas en dicho horno de
tal manera que dicha llama relativamente plana se dirija en parte
hacia abajo en un tramo de dicho horno.
9. Un aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho inyector está situado en
dicho quemador principal.
10. Un aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho paso para circulación de
oxidante es un paso inferior para circulación de oxidante
secundario y que, además, comprende:
un paso superior para circulación de oxidante
secundario que tiene una entrada superior de oxidante secundario y
una salida superior (144) de oxidante secundario y que se extiende
entre ellas;
comprendiendo dicho al menos un conducto para
circulación de combustible secundario un conducto (146) superior
para circulación de combustible secundario que tiene una entrada
superior (148) de combustible secundario y una salida superior
(150) de combustible secundario y que se extiende entre ellos, y un
conducto inferior (158) para circulación de combustible secundario
que tiene una entrada inferior (160) de combustible secundario y
una salida inferior (162) de combustible secundario.
11. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
10, en el que dicha salida superior de oxidante secundario y dicha
salida superior de combustible secundario se disponen formando un
ángulo \gamma comprendido entre 0° y 90° con dicho eje geométrico
longitudinal.
12. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
11, en el que dicho ángulo \gamma es de entre 3° y 45°.
13. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
12, en el que dicho ángulo \gamma es de entre 3° y 25°.
14. Un aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 10 a 13, en el que dicho conducto superior de
combustible secundario se encuentra dentro de dicho paso superior
para circulación de oxidante secundario, y dicho conducto inferior
de combustible secundario se encuentra dentro de dicho paso
inferior para circulación de oxidante secundario.
15. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo, que comprende las operaciones de:
mover material a través de un horno rotativo
siguiendo un trayecto de material que se extiende a través de
dicho horno, hasta una salida de material;
calentar dicho material con la llama de un
quemador principal los bastante cerca de dicha salida de material
para transmitir calor al mencionado material;
inyectar oxidante primario en dicha llama del
quemador principal; y
calentar dicho material junto a dicha salida para
el mismo con una llama secundaria dirigida de manera que,
sustancialmente, se aleje de dicha llama del quemador
principal.
16. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con la reivindicación 15, en el que
dicha llama secundaria es una llama secundaria inferior y que,
además, comprende dirigir una llama secundaria superior hacia la
llama de dicho quemador principal.
17. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con la reivindicación 15 o la
reivindicación 16, en el que dicha llama secundaria es una llama
plana, y dicha operación de calentar el citado material comprende
calentar dicho material con dicha llama plana gradualmente a lo
largo de dicha trayectoria de material.
18. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 a 17,
en el que dicha operación de inyectar oxidante primario en la llama
de dicho quemador principal comprende inyectar oxidante a un
régimen comprendido entre 135,1 m^{3}N/h (5000 pies cúbicos
normales por hora) y 4054 m^{3}N/h (150.000 pies cúbicos normales
por hora).
19. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 a 18,
en el que dicha operación de calentar dicho material con una llama
secundaria comprende inyectar oxidante secundario a un caudal de
entre 135,1 m^{3}N/h (5000 pies cúbicos normales por hora) y 4054
m^{3}N/h (150.000 pies cúbicos normales por hora).
20. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con la reivindicación 19, en el que
dicha operación de calentar el citado material con una llama
secundaria comprende inyectar dicho oxidante secundario con
caudales estequiométricos de combustible secundario.
21. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con una de las reivindicaciones 15 a 20,
en el que dicha operación de inyectar oxidante primario comprende
inyectar un oxidante que incluye al menos un 21% de oxígeno en la
llama de dicho quemador principal.
22. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con la reivindicación 21, en el que
dicha operación de inyectar oxidante primario comprende inyectar un
oxidante que incluye al menos un 90% de oxígeno en la llama de
dicho quemador principal.
23. Un procedimiento para formar clinker en un
horno rotativo de acuerdo con la reivindicación 22, en el que
dicha operación de inyectar oxidante primario comprende inyectar un
oxidante que incluye al menos un 99% de oxígeno en la llama de
dicho quemador principal.
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