ES2941478T3 - Quemador de oxígeno combustible con doble regulación - Google Patents

Abstract

Un quemador de oxicombustible que incluye un elemento de quemador central que tiene un conducto central que termina en una boquilla central y un conducto anular que termina en una boquilla anular que rodea el conducto central, el conducto central por el que fluye un primer reactivo y el conducto anular por el que fluye un segundo reactivo; un primer conducto de etapas separado de un lado del elemento quemador central y que termina en una primera boquilla de etapas; un segundo conducto de etapas separado de un lado opuesto del elemento quemador central y que termina en una segunda boquilla de etapas; un primer mecanismo para repartir un flujo del segundo reactivo en un flujo primario distinto de cero del segundo reactivo dirigido al conducto anular y un flujo secundario distinto de cero del segundo reactivo; y un segundo mecanismo para repartir selectivamente el flujo secundario del segundo reactivo entre los conductos de etapas; donde un reactivo es combustible y el otro reactivo es oxígeno. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Quemador de oxígeno-combustible con doble regulación

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Esta solicitud se refiere a un quemador de oxígeno-combustible y al procedimiento de funcionamiento de dicho quemador, y concretamente a un quemador de oxígeno-combustible que tiene capacidad de producir llamas reguladas en dos configuraciones alternativas, en las que el oxígeno regulado es introducido tanto por encima como por debajo de una llama primaria rica en combustible, o simultáneamente tanto por encima como por debajo de una llama primaria rica en combustible, dependiendo de las condiciones y de los parámetros de funcionamiento del horno.

Ciertos problemas que persisten en la combustión oxígeno-combustible, y en particular en la combustión oxígeno-combustible en hornos de vidrio, han sido resueltos por medio de los quemadores y los procedimientos de la presente solicitud.

En primer lugar, es difícil generar una luminosidad elevada en una llama de oxígeno-gas natural. Es necesaria la formación de hollín en las llamas de los gases de hidrocarburos para una radiación térmica sustancial en las gamas del espectro electromagnético visible e infrarrojo cercano. Es bien sabido que el combustible de hidrocarburo gaseoso utilizado más habitualmente, el gas natural, que está compuesto principalmente de metano y cantidades relativamente pequeñas de otros gases de hidrocarburos y otros gases diluyentes, tiene la más baja tendencia a la formación de hollín de todos los principales gases de hidrocarburos. Por ello, en la práctica es relativamente difícil generar una llama de una luminosidad elevada a partir del gas natural. Esta dificultad inherente se agrava en las llamas de oxígeno-combustible debido a que todo el hollín que se puede generar, una vez formado, es de una corta duración. Esto es debido a la reactividad excesivamente elevada del combustible gas natural con el oxígeno, en particular, a las temperaturas de la llama muy elevadas generadas en la combustión oxígeno-combustible. Un enfoque de la técnica anterior a este problema, ha sido mediante la utilización de una cámara en el interior del quemador para “craquear” térmicamente el gas natural mediante la mezcla previa y la ignición de una mezcla de oxígeno-gas rica en combustible para formar hollín, introduciendo a continuación los productos que contienen el hollín en la tobera del quemador en donde son mezclados con oxígeno para producir una llama que penetre en el horno de fusión del vidrio. Una dificultad inherente de este enfoque es que la mezcla previa tiene lugar en una cámara interna del quemador, y esto expone el metal del quemador a temperaturas muy elevadas y asimismo al riesgo de obstrucción interna de los pasos del quemador debido a la deposición de hollín. Además, la llama formada mediante este dispositivo y/o procedimiento es difícil de ajustar debido a la composición muy específica de los elementos reactantes requeridos por el craqueo.

Otro enfoque para la formación de hollín se basa en los efectos combinados del maximizado del área interfacial entre combustible y oxígeno mediante la utilización de una tobera con una elevada relación entre dimensiones (es decir, llama ancha o llama plana) y la formación de una llama primaria rica en combustible con el resto de oxígeno introducido progresivamente o “de forma regulada” en el lado inferior de la llama, adyacente a la superficie del vidrio. Ver, por ejemplo, los quemadores de las Patentes US5,575,637; US5,611,682 y US7,390,189. Los datos publicados de la Patente ‘189 muestran que el pico en el lado inferior (es decir, hacia abajo) de radiación de la llama aumenta al incrementarse la proporción de equivalencia de la llama primaria; por consiguiente, a niveles más elevados de regulación de oxígeno. Aunque este enfoque no está lastrado por el riesgo de la mezcla previa de combustible y oxígeno, está limitado por razones prácticas en la medida en que se puede alcanzar la regulación de oxígeno. Esto es debido a que el oxígeno fluye entre el entorno de la llama y las paredes internas de la cámara de precombustión, y de este modo sirve para enfriar por convección las paredes de la cámara de precombustión de la radiación de la llama y su incidencia. La magnitud de regulación de oxígeno de la llama primaria viene así dictada por los requisitos de enfriamiento, y la proporción de equivalencia de combustible-oxígeno de la llama primaria está limitada, en general, a un máximo de 3 (es decir, aproximadamente 2/3 del oxígeno que fluye a través de la tobera secundaria o tobera de regulación, con 1/3 del oxígeno restante en la tobera primaria para realizar la combustión con el 100 % del combustible, por tanto, una proporción de equivalencia primaria de 3:1) en los sistemas comerciales. Pero son necesarias proporciones de equivalencia más elevadas para maximizar la radiación descendente de la llama a la superficie del vidrio.

En segundo lugar, la producción y el control de la espuma puede ser un problema muy significativo en los hornos de fusión de vidrio. La alta humedad y concentraciones de oxígeno que se producen en la combustión oxígeno/combustible han sido relacionadas con unos mayores contenidos de espuma secundaria en los hornos de fusión de vidrio que las que están habitualmente presentes en los hornos de aire-combustible. Es sabido que la espuma secundaria limita sustancialmente la transferencia de calor entre el espacio de combustión y el vidrio fundido, lo cual hace disminuir la temperatura media del vidrio lo que conduce a una peor calidad del vidrio y disminuye la eficiencia térmica global, a la vez que aumenta la temperatura del refractario y las velocidades de erosión, acortando de este modo la vida útil del refractario. En el pasado, otros han intentado reducir o mitigar la espuma mediante diversos procedimientos ad hoc con diversos grados de éxito. Algunos de estos procedimientos incluyen; a) añadir agentes de refino a la carga o extraerlos de la misma, b) pulverizar combustible sobre la superficie del vidrio, c) cambiar la proporción de oxígeno/combustible o aire/combustible en el quemador para un funcionamiento más rico en combustible, d) reducir el ritmo de extracción del vidrio, e) aumentar la presión en el horno, y f) ajustar los ritmos de encendido del quemador. A menudo, sin embargo, el mismo enfoque no funciona en hornos diferentes, debido, por ejemplo, a diferencias en la composición química de la carga, en la temperatura del horno y en los patrones de flujo. Por lo tanto, lo que es necesario es un dispositivo y un procedimiento sistemático asociado de reducción de la espuma que sea fiable, adecuado, que no cree obstrucciones y que sea económico.

Es sabido que la combustión oxígeno-combustible para la fusión del vidrio tiene diversas ventajas, en comparación con la combustión aire-combustible, tales como menor inversión de capital, mayor eficiencia del combustible, reducción de las emisiones de NOx y mayor calidad del vidrio. La regulación de oxígeno puede incrementar, además, estas ventajas. En particular, la regulación de oxígeno puede ser utilizada para reducir las emisiones de NOx e incrementar la eficiencia de la fusión y la calidad del producto. “Regulación de oxígeno” es un medio de retrasar la combustión mediante la desviación de una parte del oxígeno lejos de la llama. Preferentemente, se utiliza regulación cerca de la llama en la que el chorro (o chorros) de oxígeno regulado mantiene la proximidad a la llama para asegurar un mezclado final del conjunto y una completa combustión del combustible con el oxígeno.

La Patente ’189 describe un quemador de oxígeno-combustible con el típico oxígeno “regulado por debajo”, y produce una llama que ilustra diversos principios clave. La llama, al estar inicialmente privada del oxígeno estequiométrico, genera hollín y monóxido de carbono (CO), cuya magnitud aumenta con el porcentaje de oxígeno regulado. En concreto, la zona de hollín comprende una nube de partículas carbonosas microscópicas y puede ser bastante opaca, presentando de este modo un impedimento a la transferencia de calor por radiación. A la inversa, debido principalmente a la reacción del hollín y del oxígeno regulado, el lado inferior de la llama es muy luminoso y transmite altos índices de radiación térmica en las regiones de la luz visible y del infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Dado que la radiación halla una fuerte resistencia en la nube adyacente de hollín, la mayor parte es dirigida hacia abajo a la superficie del vidrio. De este modo aumenta la eficiencia de la fusión con respecto a una llama no regulada. Además, como se retrasa el mezclado completo del combustible y el oxígeno, la llama regulada es más larga que una llama sin regular con el mismo caudal de combustible. Este hecho, combinado con la radiación mejorada en la zona visible y en infrarrojo cercano, garantiza que las temperaturas pico de la llama son más bajas en la llama regulada.

Los resultados de un modelo informático de dinámica de fluidos (CFD) de llamas de oxígeno-combustible altamente regulado y sin regular han mostrado que las temperaturas pico de la llama altamente regulada son menores aproximadamente en 600 °C. La temperatura sustancialmente más baja, en combinación con la situación de escasez de oxígeno de la llama regulada lleva a la generación de menores índices de NOx. Las fotos del quemador de la Patente ’189 funcionando tanto en modo sin regular como en modo regulado por debajo ilustran de modo efectivo las diferencias en la estructura de la llama y las propiedades radiantes producidas por regulación inferior de la llama con oxígeno (ver la llama de la figura 26A sin regulación de oxígeno con respecto a la llama de la figura 26B con regulación de oxígeno por debajo de la llama).

La sustitución de quemadores sin regulación por quemadores regulados por debajo ha demostrado que la regulación por debajo de la llama con oxígeno aumenta las temperaturas bajas del vidrio, y esto contribuye a corrientes de convección más potentes en el vidrio fundido favoreciendo una eliminación de impurezas más completa y, por consiguiente, a menores defectos en el vidrio. En un caso habitual de un horno de vidrio de canal convertido de quemadores de oxígeno-combustible sin regular a quemadores de oxígeno-combustible regulados por debajo, las temperaturas de la parte inferior del vidrio aumentaron en 10 °C, mientras que los defectos se redujeron en cerca del 50 %. Las temperaturas del gas de combustión del horno disminuyeron también en 60 °C, contribuyendo a una reducción del consumo específico de combustible (aportación de energía por unidad de producción de vidrio) igual al 9 % en términos nominales.

Sin embargo, existe otro aspecto de la relación de oxígeno regulado / calidad del vidrio que no ha sido considerada en anteriores implementaciones de oxígeno-combustible en hornos de vidrio, que es la espuma en la superficie del vidrio. La espuma se forma en el interior, tanto de los procesos de fundición de la carga (espuma primaria) como en los procesos de afinado (espuma secundaria) debido a la evolución de los gases procedentes del vidrio. La espuma secundaria, que se compone principalmente de dióxido de azufre, vapor de agua y oxígeno, es particularmente propensa a acumularse en una capa estable de burbujas que, en ocasiones, puede crecer hasta varias pulgadas de grosor. Los principales efectos perjudiciales de la espuma superficial son su impedancia a la transferencia de calor al vidrio, la consiguiente reflexión de energía térmica a la bóveda y sus propiedades corrosivas con respecto a los refractarios del horno. En lo que se refiere a la menor velocidad de transmisión de calor al vidrio, esto disminuye las temperaturas del vidrio y debilita los flujos secundarios activados por la convección en el interior de la carga fundida, interrumpiendo el proceso de afinado y permitiendo que persistan más defectos en el producto acabado.

La Patente JP H09 229315 A da a conocer un quemador de oxígeno-combustible según el preámbulo de la reivindicación 1.

CARACTERÍSTICAS

En este documento se describe un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación que tiene ventajas operativas sobre los quemadores existentes de oxígeno-combustible para hornos de fusión de vidrio. En concreto, el quemador actualmente reivindicado presenta un consumo específico de energía más bajo, una disminución de la producción de NOx y una mejor calidad del vidrio. Dicho quemador de oxígeno-combustible está definido de acuerdo con la reivindicación 1.

Las características preferentes están definidas en cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10.

La presente invención se refiere, además, a un procedimiento de funcionamiento de un horno para vidrio de oxígeno-combustible que contiene un baño de vidrio y comprende una zona de fusión y una zona de refino, en el que una primera pluralidad de los quemadores de oxígeno-combustible definidos en la reivindicación 1 están posicionados para ser encendidos en la zona de fusión y una segunda pluralidad de los quemadores de oxígeno-combustible definidos en la reivindicación 1 están posicionados para ser encendidos en la zona de refino, en la que para cada quemador el primer conducto de regulación está posicionado entre el elemento central del quemador y el baño de vidrio y el segundo conducto de regulación está posicionado entre el elemento central del quemador y el techo del horno, comprendiendo el procedimiento: dejar fluir combustible como primer elemento reactante y oxígeno como segundo elemento reactante; hacer funcionar la primera pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible para crear una atmósfera rica en oxígeno (oxidante) adyacente al baño de vidrio; y hacer funcionar la segunda pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible para crear una atmósfera rica en combustible (reductora) adyacente al baño de vidrio.

Las características preferentes del procedimiento de la invención están definidas en cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación.

La figura 2 en una vista frontal, en perspectiva, del extremo de un bloque de un quemador para un quemador como el de la figura 1.

La figura 3 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación como en la figura 1, funcionando en un modo de regulación por debajo de la llama (infrarregulado) o modo de fusión.

La figura 4 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación como en la figura 1, funcionando en un modo de regulación por encima de la llama (suprarregulado) o modo de control de la espuma.

La figura 5 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación como en la figura 1, funcionando en regulación por encima y por debajo de la llama (infrarregulado y suprarregulado) o mezclado o dividido.

La figura 6 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador como en las figuras 1 y 3, funcionando en un horno de vidrio en modo de fusión en el que el combustible es el primer elemento reactante y el oxígeno es el segundo elemento reactante, y en el que se introduce oxígeno secundario o regulado por debajo de la abertura del combustible y del oxígeno primario.

La figura 7 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador como en las figuras 1 y 4, funcionando en un horno de vidrio en modo de control de la espuma en el que el combustible es el primer elemento reactante y el oxígeno es el segundo elemento reactante, y en el que se introduce oxígeno secundario o regulado por encima de la abertura del combustible y del oxígeno primario.

La figura 8A es una vista lateral esquemática, en sección transversal, y la figura 8B una vista frontal esquemática del extremo de la abertura central de un quemador como en la figura 1, y muestra detalles de la tobera del oxígeno primario que rodea la tobera del combustible, y en particular muestra cuerpos achatados en el chorro de oxígeno primario separados de la pared entre la tobera de oxígeno y la tobera de combustible por medio de ranuras de purga del oxígeno.

La figura 9 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de una abertura central como en las figuras 8A y 8B que muestra una combinación de un divisor transversal cilíndrico del flujo y una placa axial de separación más abajo y ligeramente separada del divisor cilíndrico del flujo.

La figura 10 es una vista lateral, en sección transversal, del modo de funcionamiento como en la figura 6, que muestra los efectos del flujo del divisor de flujo y el separador de la figura 9 y los cuerpos achatados de las figuras 8A y 8B.

La figura 11 es una vista lateral, en sección transversal, del modo de funcionamiento como en la figura 7, que muestra los efectos del flujo del divisor de flujo y el separador de la figura 9 y los cuerpos achatados de las figuras 8A y 8B.

Las figuras 12A a 12C son vistas fotográficas de extremo que comparan las llamas obtenidas en los modos de funcionamiento de la figura 3 (modo de fusión, figura 12A), figura 4 (modo de control de la espuma, figura 12B), y figura 5 (modo de mezclado, figura 12C).

Las figuras 13A y 13B son una comparación de vistas fotográficas de extremo entre las llamas de un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación funcionando en modo de suprarregulación, con una tobera recta convencional (figura 13A) y una tobera que tiene cuerpos achatados y ranuras de purga de oxígeno como en las figuras 8 y 9 (figura 13B).

La figura 14 es una vista lateral esquemática, en sección transversal, de un quemador con doble regulación que muestra la velocidad de difusión de la llama definida por el ángulo de difusión de la llama.

La figura 15 es un gráfico que muestra datos comparativos de la velocidad de difusión de la llama de una tobera sin un cuerpo achatado de la tobera de oxígeno (versión representada en la fotografía de la figura 13A) y con un cuerpo achatado de la tobera de oxígeno (versión representada en la fotografía de la figura 13B).

La figura 16 es una vista superior esquemática de un horno de vidrio que utiliza una pluralidad de quemadores como los de la figura 1, que funcionan en modos diferentes dependiendo de la zona del horno.

La figura 17 es una vista superior esquemática de un horno de vidrio que utiliza una pluralidad de quemadores como los de la figura 1, que muestra un controlador de ajuste del modo de funcionamiento de cada quemador en base a los datos de un sensor o a una situación detectada, tal como formación de espuma, y en particular en base a la medición óptica de la temperatura en tiempo real o a los datos de mapeado de la temperatura obtenidos mediante una cámara digital u otro tipo de sensor.

La figura 18 es una vista superior esquemática de un horno de vidrio que utiliza una pluralidad de quemadores como los de la figura 1, que funcionan en modos diferentes dependiendo de la zona del horno.

La figura 19 es un gráfico de comparación de la utilización específica de combustible respecto al valor de calentamiento en el caso de un quemador de la técnica anterior como el de la Patente ’189 (puntos circulares, línea de trazos) y para un quemador con doble regulación como el descrito en este documento (puntos en cruz, línea continua) que muestra una reducción del 3,2 % en el consumo específico de combustible en una amplia gama de valores de calentamiento con el quemador presente.

La figura 20 es un gráfico que compara el recuento de pequeñas burbujas (un indicador de defectos del vidrio) en el caso de un quemador de la técnica anterior como el de la Patente ’189 (puntos circulares a la izquierda) y en el caso de un quemador con doble regulación como el descrito en este documento (puntos en cruz a la derecha), que muestra una reducción del 43 % en las pequeñas burbujas con el quemador presente.

La figura 21 es un gráfico que compara el recuento de poros (un indicador de defectos del vidrio) en el caso de un quemador de la técnica anterior como el de la Patente ’189 (puntos circulares a la izquierda) y en el caso de un quemador con doble regulación como el descrito en este documento (puntos en cruz a la derecha), que muestra una reducción del 38 % en los poros con el quemador presente.

La figura 22 es un gráfico que compara el NOx relativo (normalizado a 1 para el quemador de la técnica anterior) en el caso de un quemador de la técnica anterior como el de la Patente ’189 (puntos circulares, líneas superiores de trazos) y en el caso de un quemador con doble regulación como el descrito en este documento (puntos en cruz, línea superior continua), que muestra un 40 % de reducción en el NOx relativo en la gama de valores de calentamiento en el caso del quemador presente.

Las figuras 23A y 23B son una comparación fotográfica que muestra espuma secundaria en la zona de refino de un horno de vidrio (figura 23A) y una superficie especular en la misma zona de refino como resultado del modo de reducción de la espuma de una realización de un quemador descrito en este documento (figura 23B).

Las figuras 24A y 24B son una comparación de una vista fotográfica lateral entre la llama de un quemador de oxígeno-combustible sin regulación de la técnica anterior (figura 24A) e infrarregulado (figura 24B).

La figura 25 es una vista, en perspectiva, del extremo frontal de un bloque de un quemador como el de la figura 2 pero mostrando una grieta que se puede producir en el bloque del quemador.

Las figuras 26A y 26B son una comparación fotográfica que muestra la radiación de un quemador infrarregulado de la técnica anterior (figura 26A) con respecto a una realización de un quemador descrito en este documento (figura 26B).

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Tal como se utiliza en este documento, el término “oxígeno” significa un oxidante que tiene una concentración de oxígeno molecular (O²) mayor que la del aire (es decir, mayor de 20,9 mol%), y en algunas realizaciones el oxígeno tiene, como mínimo, 23 mol% de O², como mínimo, 30 mol% de O², como mínimo, 70 mol% de O², o como mínimo, 90 mol% de O².

Tal como se utiliza en este documento, el término “quemador de oxígeno-combustible” significa un quemador que realiza una combustión de combustible y oxígeno tal como se ha definido en este documento.

Tal como se utiliza en este documento, el término “combustible” incluye cualquier mezcla de hidrocarburos capaz de arder, y específicamente incluye combustibles gaseosos, líquidos, y sólidos pulverizados. Todos los datos presentados en este documento fueron tomados utilizando gas natural como combustible, pero se considera que los resultados son en general aplicables a otros combustibles, y en particular a otros combustibles gaseosos.

Tal como se utiliza en este documento, el término “regulación” significa que una parte del elemento reactante regulado es suministrado a través de una tobera separada del elemento del quemador a través de la cual está siendo suministrado el otro elemento reactante. Por ejemplo, cuando se trata de un elemento de un quemador, si el oxígeno es regulado, esto significa que el combustible fluye a través del elemento del quemador junto con una cantidad de oxígeno que es menor que la cantidad total de oxígeno suministrado a todo el quemador, y el resto del oxígeno fluye a través de otra tobera o tobera secundaria. Si el oxígeno es regulado al 75 %, esto significa que el 25 % del oxígeno es suministrado al elemento del quemador junto con el combustible (aunque en una tobera diferente) y el 75 % del oxígeno es proporcionado por medio de una tobera separada del elemento del quemador. Tanto el combustible como el oxígeno pueden ser regulados. La regulación puede estar correlacionada con la relación de equivalencia en el elemento del quemador si se conoce la estequiometría global total del quemador y las proporciones de regulación.

En este documento se describe un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación. El quemador consigue dos objetivos: (a) bajas emisiones de NOx, y (b) control de la atmosfera de gas adyacente a la superficie del vidrio por debajo de la llama del quemador. Las bajas emisiones de NOx se obtienen suministrando combustible y oxígeno de un modo altamente regulado, con una proporción de regulación más elevada que la que se ha podido conseguir con los quemadores anteriores. Habitualmente, el oxígeno es el elemento reactante regulado y el combustible es el elemento reactante sin regular, pero se entiende que en este documento los diseños podrían funcionar igualmente de forma adecuada si el oxígeno fuera el elemento reactante no regulado y el combustible fuera el elemento reactante regulado. En las descripciones siguientes, algunas veces se describe el oxígeno como el elemento reactante regulado y algunas veces la descripción es más genérica, pero en ambos casos se comprende que tanto el combustible como el oxígeno pueden ser el elemento reactante regulado.

Los factores clave que influyen en la velocidad de crecimiento del gas y en la formación de espuma incluyen la composición de la carga, incluyendo la cantidad de sulfato añadido para el afinado, la temperatura superficial del vidrio y la atmósfera de gas del horno. La espuma secundaria que es la principal preocupación para la calidad del vidrio, en general, se genera entre 1400 °C y 1500 °C, aumentando con la temperatura el volumen de gases de afinado liberados y de este modo la gravedad del problema de la formación de espuma.

Con referencia a la atmósfera de gas, un entorno reductor inmediatamente encima de la superficie del vidrio puede paliar el problema de la espuma mediante la modificación de las propiedades de la espuma. El mecanismo a través del cual esto sucede es un gas reductor, tal como monóxido de carbono en contacto con la espuma, el cual actúa para reducir el gradiente de tensión superficial en las interfases líquidas de las burbujas de espuma, favoreciendo de este modo la evacuación acelerada de la espuma al baño fundido. Esto sugiere la utilización de regulación de oxígeno por encima de la llama, es decir, creando una llama rica en combustible adyacente a la superficie del vidrio como un medio con el que el proceso de combustión puede ayudar a paliar el problema de la formación de espuma. La figura 1 muestra un esquema, en sección transversal, de un quemador 10 que tiene una primera entrada 24 de elemento reactante y una segunda entrada 34 de elemento reactante, así como la cara 12 de un quemador que define un plano de salida del quemador 10. La primera entrada 24 de elemento reactante suministra un primer reactante R1 (muy habitualmente combustible) a un conducto central 20 que termina en una tobera central 22 en la cara caliente 12 del quemador. La tobera central 22 puede ser circular o puede tener una configuración no circular o ancha, o de llama plana con una relación entre dimensiones (dimensión máxima respecto a la dimensión mínima), como mínimo, de 2.

La segunda entrada 34 de elemento reactante suministra un segundo reactante R2 (muy habitualmente oxígeno) en una cámara 40 que distribuye el segundo elemento reactante R2 entre un conducto anular 30 que rodea y es coaxial con el conducto central 20 y una entrada de regulación 42 desde la cual el segundo reactante es suministrado a uno o a ambos de un par de conductos regulados 50 y 60. El conducto anular 30 termina en una tobera anular 32 en la cara caliente 12 del quemador. Juntos, el conducto central 20 y la tobera central 22 con el conducto anular 30 y la tobera anular 32 forman el elemento central 28 del quemador.

La cantidad de flujo distribuida entre el conducto anular 30 y la entrada de regulación 42 es controlada por medio de un limitador variable del flujo 38 situado en la unión de la cámara 40 y el conducto anular 30.

Un primer conducto 50 de regulación es paralelo y está separado de un lado del elemento 28 del quemador central y termina en una primera tobera 52 de regulación en la cara caliente 12 del quemador. Un segundo conducto 60 de regulación es paralelo y está separado de un lado opuesto del elemento central 28 del quemador y termina en una segunda tobera 62 de regulación en la cara caliente 12 del quemador. Una válvula de tres vías 44 más abajo de la entrada 42 de regulación distribuye un flujo de regulación del segundo elemento reactante entre el primer conducto 50 de regulación y el segundo conducto 60 de regulación. La válvula 44 puede estar situada de modo que la totalidad del segundo flujo de regulación del reactante sea dirigida al primer conjunto 50 de regulación, o de tal modo que la totalidad del segundo flujo de regulación del reactante sea dirigida al segundo conducto 60 de regulación, o de tal modo que el segundo flujo de regulación del reactante sea distribuido con una porción no nula que esté dirigida al primer conducto 50 de regulación y el resto no nulo sea dirigido al segundo conducto 60 de regulación.

En una realización preferente, el primer elemento reactante es un combustible y el segundo reactante (que se regulado) es oxígeno. Esta realización está ilustrada, además, en las figuras 3, 4 y 5, mostrando los diversos modos de funcionamiento del quemador 10.

La figura 3 muestra el modo de funcionamiento de la fusión, en el que el oxígeno secundario es regulado por debajo del combustible y del oxígeno primario (regulación por debajo de la llama). El oxígeno secundario es dirigido por medio de la válvula 44 al segundo conducto 60 de regulación, de tal modo que un chorro 66 de oxígeno secundario sale de la segunda tobera 62 de regulación. Durante el modo de fusión, tal como se muestra en las figuras 6 y 10, el quemador 10 produce una llama que tiene una temperatura elevada, una parte inferior luminosa 86 altamente radiante, tiene también una llama superior primaria 88 cargada de hollín, ópticamente gruesa, rica en combustible por encima de la parte inferior radiante 86. La parte inferior luminosa es efectiva para la transmisión por radiación del calor 84 al vidrio 99 en el horno, con una trayectoria de radiación sin obstrucciones directamente a la superficie del vidrio. La llama superior primaria 88 ópticamente gruesa protege al horno contra el sobrecalentamiento y dirige el calor de la combustión principalmente hacia abajo, al vidrio. En la figura 12A se muestra una vista fotográfica de extremo de dicha llama producida durante el modo de fusión.

La figura 4 muestra un modo de funcionamiento del control de la espuma, en el que el oxígeno secundario está regulado por encima del combustible y del oxígeno primario (regulación por encima de la llama). El oxígeno secundario es dirigido por medio de la válvula 44 al primer conducto 60 de regulación, de modo que un chorro 56 de oxígeno secundario sale de la primera tobera 52 de regulación. Durante el modo de control de la espuma, tal como se muestra en las figuras 7 y 11, el quemador produce una llama que tiene una llama inferior primaria 92 cargada de hollín, ópticamente gruesa, rica en combustible junto con un lado superior luminoso 90. La llama inferior primaria 92 rica en combustible crea una atmósfera reductora 94 por debajo de la llama, justo encima del vidrio 99, lo que contribuye a desestabilizar y romper la espuma sobre la superficie del vidrio. La espuma no es deseable porque reduce la capacidad de una llama de transferir calor al vidrio, de manera que el modo de control de la espuma puede ser utilizado de forma intermitente en combinación con el modo de fusión para romper periódicamente la espuma y de este modo permitir que el modo de fusión sea más eficaz para fundir y calentar el vidrio. Una vista fotográfica de extremo de dicha llama producida durante el modo de control de la espuma se muestra en la figura 12B.

La figura 5 muestra un modo de funcionamiento de mezcla o división en el que el oxígeno secundario es regulado tanto por encima como por debajo del combustible y del oxígeno primario. El modo de funcionamiento de mezcla o división es ventajoso cuando se desea la combinación de una elevada impulsión de la llama y una alta luminosidad de la llama. Este es a menudo el caso en que los quemadores están situados cerca de los conductos de los humos de escape en la zona de fusión del horno, por ejemplo, tal como se muestra en las figuras 17 y 18. Las llamas del quemador en esta zona son habitualmente afectadas negativamente por el flujo próximo de los gases de combustión que salen del horno a través de los conductos de humos. Una llama con una elevada impulsión ayuda a mantener la estabilidad de la llama en dicho entorno. No obstante, los expertos en la materia comprenderán que es muy difícil conseguir una llama de una elevada impulsión mientras que simultáneamente se produce la llama de elevada luminosidad que es necesaria para una fusión eficiente del vidrio. Esto es debido a que la impulsión de la llama elevada normalmente no proporciona un tiempo de mantenimiento suficiente para los procesos de iniciación, crecimiento y aglomeración del hollín, que son requisitos previos para conseguir una llama altamente luminosa. El quemador presente soluciona estas dificultades y es capaz de conseguir una combinación de alta impulsión y elevada luminosidad cuando funciona en el modo de mezcla o división, al rodear la llama con oxígeno por ambos lados cuando descarga en el horno, lo que hace que el chorro de combustible arda y caliente mucho más rápidamente que cuando la regulación de oxígeno se produce solamente en un lado. Además, el oxígeno regulado por ambos lados de la llama limita la llama a una expansión vertical en el interior del horno. Al realizarlo de este modo, la combustión más rápida del chorro de combustible y el calentamiento tienen el resultado de favorecer principalmente la aceleración axial hacia adelante; y por tanto una elevada impulsión (axial) de la llama. La luminosidad de la llama en este modo procede de funcionar con un oxígeno primario tan bajo como sea tolerable según las limitaciones operativas específicas del emplazamiento. Inesperadamente, se ha hallado que la combinación de la regulación de oxígeno simultáneamente por encima y por debajo, además de una baja proporción de oxígeno primario a los caudales de combustible proporciona de manera ventajosa un tiempo de mantenimiento suficiente para la creación de hollín, su crecimiento y aglomeración, al mismo tiempo que consigue también una alta impulsión de la llama. Una llama obtenida durante el modo de funcionamiento de mezclado se muestra en la vista fotográfica de extremo de la figura 12C.

En la utilización, el quemador 10 está instalado en un horno de vidrio con uno del primer y segundo conductos 50 y 60 de regulación posicionado entre el elemento central 28 del quemador y el baño de vidrio y el otro del primer y segundo conductos 50 y 60 de regulación posicionado entre el elemento central 28 del quemador y el techo del horno.

Como resultado del diseño del quemador 10 descrito en este documento, el quemador funciona con una proporción en el elemento central 28 del quemador del primer elemento reactante en la tobera central 22 (por ejemplo, combustible) con respecto al segundo elemento reactante en la tobera anular 32 (por ejemplo, oxígeno) tan alejada de la estequiométrica como sea práctico sin producir daños a la tobera del quemador. Por ejemplo, cuando el combustible es el primer elemento reactante y el oxígeno es el segundo elemento reactante, la cantidad total de combustible suministrado al quemador 10 fluye a través de la tobera central 22 mientras que una proporción muy pequeña de oxígeno suministrado al quemador fluye a través de la tobera anular 32, preferentemente menos del 20 %, o menos del 10 %, o menos del 5 %, o menos del 2 %, o menos del 1 %, con el resto del oxígeno yendo a una o a ambas de la primera y la segunda toberas 50 y 60 de regulación. Esto igualaría respectivamente las proporciones de suministro por etapas preferentes de como mínimo el 80 %, como mínimo el 90 %, como mínimo el 95 %, como mínimo el 98 %, o como mínimo el 99 %. Estos niveles de regulación que no eran obtenibles anteriormente, son el resultado de la estructura de las toberas central y anular.

Cuando el quemador 10 funciona con regulación por debajo de la llama (es decir, el modo de fusión, en el que se crea una atmósfera oxidante por encima del vidrio fundido), por lo menos el 50 % del oxígeno secundario fluye a través de la primera tobera 50 de regulación mientras que el resto fluye a través de la tobera anular 32. En algunas realizaciones, por lo menos el 75 %, o por lo menos el 90 % del oxígeno fluye a través de la primera tobera de regulación.

Cuando el quemador 10 funciona con regulación por encima de la llama (es decir, en modo de reducción de espuma en el que se crea una atmósfera reductora por encima del vidrio fundido), por lo menos el 70 % del oxígeno secundario fluye a través de la segunda tobera 60 de regulación con el resto fluyendo a través de la tobera anular 32. En algunas realizaciones, por lo menos el 80 %, o por lo menos el 90 % del oxígeno fluye a través de la segunda tobera 60 de regulación.

Debe entenderse que no es deseable funcionar con un segundo elemento reactante cero en el conducto anular 30 porque se crearía un vacío en el conducto anular 30 que podría arrastrar gases calientes corrosivos, que podrían deteriorar rápidamente la integridad del quemador 10. Además, no sería deseable simplemente eliminar el flujo anular 36 del segundo elemento reactante debido a que el flujo en el anillo 30 crea una acumulación entre el primer elemento reactante en el conducto central 20 y el segundo elemento reactante tanto en el primer como en el segundo conductos 50 y 60 de regulación, de modo que, en el caso de una grieta 599 en el bloque del quemador entre pasos adyacentes del bloque como en la figura 25, no habría potencial para un mezclado incontrolado de combustible y oxígeno.

En la práctica, se ha hallado que la adición de ciertos elementos estructurales al elemento central 28 del quemador minimiza la cantidad de elemento reactante secundario necesaria para el anillo (tal como se comenta más adelante haciendo referencia a las figuras 8 y 9), de modo que puede ser tan bajo como aproximadamente el 1 % del caudal total del elemento reactante secundario. Esto significa que el resto hasta el 99 % del elemento reactante secundario es regulado a través tanto del primer conducto 50 de regulación como del segundo conducto 60 de regulación (o posiblemente distribuido entre ambos conductos de regulación). Esto se compara con un quemador regulado de la generación anterior (ver la Patente US7,390,189) que era capaz de regular hasta un máximo del 70 % del segundo elemento reactante (oxígeno), el pico del combustible primario con respecto a la proporción de oxígeno anular en el presente quemador es nominalmente 30 veces mayor que la conseguida en los quemadores de la generación anterior (es decir, 100 % de combustible: 1 % de oxígeno en el quemador presente comparado con 100 % de combustible: 30 % de oxígeno en el quemador de la generación anterior). Asimismo, se consigue una reducción adicional del NOx por medio de la regulación con la tobera interna utilizando el diseño de tobera con referencia a las figuras 8 y 9.

Además de reducir el NOx, la capacidad del quemador para producir una llama primaria lejos de la estequiométrica, con unas grandes cantidades de regulación, mejora de forma significativa la capacidad de control de la atmósfera de gas adyacente a la superficie del vidrio. Pero para poder controlar la atmósfera adyacente a la superficie del vidrio para que sea, de forma selectiva, tanto oxidante como reductora dependiendo de las circunstancias del proceso, requiere la capacidad de cambiar adecuadamente el funcionamiento del quemador para generar a petición una atmósfera reductora o una atmósfera oxidante adyacente al vidrio, sin cambiar los quemadores y sin una demora de tiempo significativa. Esto se realiza por medio de la válvula de distribución de regulación de tres vías 44 descrita anteriormente, que está posicionada en la cámara 40 del elemento reactante secundario del quemador de la invención, que funciona para desviar la parte regulada del flujo del segundo elemento reactante desde la cámara 40 tanto al primer conducto 50 de regulación como al segundo conducto 60 de regulación (o en algunas distribuciones a ambos). Y, tal como se ha hecho notar anteriormente, el quemador 10 será montado en un horno con, por ejemplo, el primer conducto 50 de regulación posicionado debajo del elemento central 28 del quemador (es decir, hacia el baño de vidrio) y el segundo conducto 60 de regulación posicionado por encima del quemador central 28 (es decir, hacia el techo del horno).

Preferentemente, el quemador 10 está instalado en un bloque 100 del quemador que separa el quemador 10 del horno, y asimismo unifica el conducto central de fluido primario del quemador y el conducto anular secundario en un único paso 128 en el bloque central del quemador, tal como se representa en la vista del extremo de la figura 2, que permite que el fluido primario y el fluido anular secundario se descarguen desde el bloque en el horno como una llama.

Tal como se muestra en la figura 16, una pluralidad de los quemadores 10 pueden estar instalados en un horno de vidrio 500 con los quemadores individuales 10 funcionando de manera diferente dependiendo de su ubicación en el horno 500. Un horno de vidrio clásico tiene un extremo de alimentación 510 y un extremo de trabajo 550 con los ingredientes (sólidos) de una carga de las primeras materias del vidrio siendo introducidos por el extremo de alimentación 510 mediante un alimentador de carga 512 y siendo extraído el vidrio fundido refinado por el extremo de trabajo 550. Se puede describir el horno 500 como que tiene dos secciones o zonas, una zona de fusión 520 cerca del extremo 510 de la carga, caracterizado por una mezcla de vidrio fundido y trozos sólidos de materiales de la carga sin fundir, y una zona de refino 530 cerca del extremo de trabajo, caracterizada principalmente por tener vidrio fundido. Los lados 540 conectan el extremo de alimentación 510 con el extremo de trabajo 550. Los quemadores 10 que están posicionados a lo largo de ambos lados 540 son utilizados para fundir la carga en la zona de fusión 520 y refinar el vidrio fundido en la zona de refino 530. Como mínimo un conducto de humos 542 está posicionado en uno de los lados 540 y/o en uno de los extremos 510, 550 para extraer los productos de la combustión del horno 500.

En la situación de funcionamiento de la figura 16, los quemadores 10 de la zona de fusión 520 del horno de vidrio 500 pueden funcionar para producir una llama 522 como la mostrada en las figuras 6 y 10, para maximizar la energía radiante suministrada al material de la carga de vidrio en la zona de fusión 520. Esto se lleva a cabo mediante la regulación de oxígeno por debajo de la llama primaria. Esta técnica desvía preferentemente la radiación de la llama en dirección hacia abajo al baño fundido. Como alternativa, o en combinación con lo anterior, los quemadores 10 en la zona de refino 530 pueden funcionar para producir una llama 532 como la mostrada en las figuras 7 y 11, para crear una atmósfera reductora junto a la superficie del vidrio. Esto se lleva a cabo regulando oxígeno por encima de la llama primaria. Esta técnica puede perturbar la estabilidad de la espuma de la superficie al impartir un cambio repentino en la tensión superficial y haciendo que de este modo se disuelva rápidamente en el baño fundido. Además, la atmósfera reductora ocasiona la formación de hollín que bloquea la radiación térmica al baño fundido y de esta manera disminuye la temperatura superficial y, por tanto, la velocidad de crecimiento de los gases de afino que producen la espuma, tales como el dióxido de azufre.

Hay que tener en cuenta que la espuma es perjudicial para el funcionamiento del horno de vidrio por los motivos siguientes, de modo que pueden existir beneficios operativos significativos y de calidad del vidrio al poder reducir selectivamente la espuma en diversos momentos durante el funcionamiento o en ciertas partes del horno, según lo requieran las circunstancias. En primer lugar, la espuma limita considerablemente la transferencia de calor entre el espacio de combustión del horno y el baño de vidrio fundido. Esto conduce a mayores temperaturas de la superficie del vidrio y de la bóveda, mientras que disminuye los flujos secundarios del vidrio activados por la convección natural en la fase de fusión del baño de vidrio. Estos flujos secundarios son críticos para proporcionar el tiempo de mantenimiento necesario del vidrio en el horno para conseguir un alto grado de eliminación de impurezas del vidrio. En segundo lugar, la espuma es muy corrosiva para los refractarios del horno y puede llevar a un deterioro acelerado del refractario y a desconchados del material refractario en el interior de la fase de vidrio que llevan a defectos en el vidrio.

La figura 17 representa un procedimiento alternativo de funcionamiento del horno comparado con el procedimiento antes descrito con referencia a la figura 16. En vez de determinar previamente la distribución de los quemadores regulados por encima de la llama (es decir, creando una atmósfera reductora junto al baño de vidrio, tal como en la zona de refino) y de quemadores regulados por debajo de la llama (es decir, creando una atmósfera oxidante y una llama radiante adyacente al baño de vidrio, tal como en la zona de fusión), este procedimiento utiliza uno o varios sensores 560 en el horno para detectar una situación detectada en el horno, tal como la presencia de espuma, y/o para detectar zonas de temperatura alta o baja, y a continuación un controlador 562 ajusta las condiciones de funcionamiento de cada quemador individual 10 en consecuencia. La presencia de espuma puede ser detectada mediante cualquiera de los varios tipos de sensores, incluyendo, de forma no limitativa, los termopares, termómetros de infrarrojos, cámaras de toma de imágenes de infrarrojo y cámaras de vídeo. Esto es especialmente ventajoso con el presente quemador 10, debido a que la válvula de conmutación 44 de tres vías puede ser accionada fácilmente a distancia, por medio, por ejemplo, de medios eléctricos o neumáticos, de modo que rápidamente dirige de nuevo el flujo del segundo elemento reactante regulado a cualquiera de las toberas de regulación.

En otra realización, la figura 18 representa una configuración óptima del horno para minimizar las emisiones de NOx. La formación de NOx en la zona corriente abajo o de refino 530 del horno 510 es minimizada mediante el funcionamiento de los quemadores 10 en dicha zona por debajo de la estequiométrica (rica en combustible) para producir una llama 534 rica en combustible, mientras que los quemadores 10 corriente arriba o de la zona de fusión 520, cerca del conducto de humos 542 un horno de vidrio de oxígeno-combustible clásico 500) funcionan por encima de los valores estequiométricos (bajos en combustible ) para producir una llama 524 pobre en combustible. En esta configuración, el exceso de oxígeno de las llamas 524 del quemador corriente arriba pobre en combustible se mezcla los productos ricos en combustible de la combustión parcial de las llamas corriente abajo 534 ricas en combustible para completar la combustión de los productos ricos en combustible antes de abandonar el espacio de combustión del horno a través del conducto de los gases de escape 543. La estequiometría global de los quemadores 10 del horno 500, definida en este documento como la proporción del total de moléculas de oxígeno con respecto al total de moléculas de combustible que entran en el horno dividido por la proporción teóricamente necesaria para la completa combustión con un exceso cero de oxígeno, no es necesario que sea exactamente de 1, pero la estequiometría global del horno es más próxima a 1 que la de cualquiera de los quemadores corriente arriba pobres en oxígeno, o de la de los quemadores corriente abajo ricos en combustible.

Por medio del funcionamiento de los quemadores individuales en condiciones fuera de las estequiométricas, algunos quemadores ricos en combustible y algunos quemadores pobres en combustible, se reducen las emisiones de NOx mediante la limitación de la formación de NOx térmico (que es el más lento de los mecanismos de formación de NOx). Se requiere oxígeno libre para activar la reacción de formación de NOx térmico. Por consiguiente, al garantizar que los gases con el mayor tiempo de mantenimiento (es decir, los que están corriente abajo del horno, más alejados de los conductos de humos) tienen un oxígeno libre mínimo, se reduce la formación de NOx térmico. Adicionalmente, una vez que el resto del combustible y el oxígeno corriente abajo reaccionan en la zona del horno próxima a los conductos de humos, la reacción queda sustancialmente diluida por los gases de escape del horno, y por lo tanto se produce a una temperatura más baja que la se podría haber producido por la reacción en el quemador. Esta temperatura más baja reduce todavía más la velocidad de formación del NOx térmico. La configuración del horno es también ventajosa desde la perspectiva de reducción de la espuma, dado que la zona rica en combustible coincide con la región o zona de refino, que, además, refuerza la acción de reducción de la espuma de los presentes quemadores 10.

El funcionamiento del quemador 10 puede ser mejorado mediante la incorporación de elementos concretos en la tobera del elemento 28 del quemador, tal como se muestra en las figuras 8 y 9. Estos elementos facilitan un funcionamiento muy alejado del estequiométrico de la llama primaria antes descrito.

En primer lugar, tal como se muestra en las figuras 8A y 8B, un cuerpo achatado 70 es posicionado en la tobera anular 32 del segundo elemento reactante para crear dos chorros del flujo del segundo elemento reactante (por ejemplo, oxígeno), un chorro interior a través de una tobera interna o intersticio 74, y un chorro exterior a través de la tobera externa o intersticio 72. El intersticio interno 74 es relativamente pequeño comparado con el intersticio externo 72. En una realización, el intersticio interno 74 tiene un área de la sección transversal que no es mayor del 10 % del área de la sección transversal del intersticio externo 72. Preferentemente el cuerpo achatado 70 está unido al lado exterior del conducto central 20 de modo que el intersticio interno 74 se forma como una ranura en la parte de la base del cuerpo achatado 70. Un pequeño chorro deslizante del segundo elemento reactante fluye a través del intersticio interno 74 y se mezcla con el primer elemento reactante (por ejemplo, combustible) en un plano de descarga 12 del quemador 10. En el plano de descarga 12, el pequeño chorro que se desliza del segundo elemento reactante se mezcla con el primer elemento reactante que se descarga de la tobera central 22 y se enciende, creando una lámina de llama o de un chorro de llama en las proximidades del chorro de descarga de la tobera central (o del primer elemento reactante).

Es conocido de los expertos en la materia que, a diferencia de un chorro no reactante, la velocidad de arrastre de los gases de los alrededores por el chorro se reduce de modo significativo en el caso de una llama de un chorro de elemento reactante. Se ha descubierto, además, que en el caso de un cuerpo achatado 70 con un intersticio interno 74 y un intersticio externo 72 antes descrito, la velocidad de arrastre de la llama generada por este sistema es menor que la generada en ausencia de dicho cuerpo achatado. Aunque es muy difícil medir experimentalmente la velocidad de arrastre, es sabido que en el caso del chorro central de un caudal fijo de descarga la tobera, la velocidad de arrastre está relacionada directamente con la velocidad de difusión del chorro.

La figura 14 muestra una cuantificación de la velocidad de difusión de la llama de una lámina de llama 180 (que indica los contornos de la llama primaria) que emerge del paso 128 del bloque central del quemador, de un quemador 10 con doble regulación, medida por medio del ángulo de difusión, tal que la velocidad de difusión de una llama se puede caracterizar por la tangente del ángulo a.

La figura 15 compara datos de la velocidad de difusión de la llama a partir de llamas generadas con dos toberas. La línea continua inferior (puntos de datos con cruces) en el gráfico representa la velocidad de difusión de la llama de un quemador que tiene una tobera con las características mostradas en las figuras 8A y 8B, es decir, con el cuerpo achatado 70, el intersticio interno 74 y el intersticio externo 72 descritos en este documento. La línea superior de trazos (puntos de datos con cuadrados) representa la velocidad de difusión de la llama de un quemador que tiene la misma tobera básica, pero sin el cuerpo achatado ni los intersticios. El eje vertical en la figura 15 es la velocidad de difusión relativa de la llama (tan(a) no dimensional), mientras que el eje horizontal indica la proporción estequiométrica de la llama primaria, es decir, la proporción estequiométrica basada en el primer elemento reactante central (combustible o gas natural) y el segundo elemento reactante anular (oxígeno) que fluye a través de la tobera primaria del quemador. Se debe tener en cuenta que la velocidad de difusión de la llama producida por la tobera que tiene el cuerpo achatado e intersticios es significativamente más pequeña que la velocidad de difusión de la llama producida por la misma tobera sin el cuerpo achatado y los intersticios. Además, la diferencia entre las dos velocidades de difusión de la llama crece cuando la proporción estequiométrica de la llama primaria disminuye (es decir, cuando aumenta la proporción de oxígeno regulado). Esto es de particular importancia dado que, tal como se ha indicado anteriormente, los beneficios del quemador de la invención aumentan a medida que se incrementa la proporción de oxígeno regulado.

Las figuras 13A y 13B muestran la comparación de un quemador como el descrito en este documento con y sin las características de la tobera mostradas en las figuras 8A y 8B, y en particular muestran las velocidades relativas de difusión de las llamas, respectivamente, con velocidades de arrastre mayores y menores. En la fotografía de la figura 13A se utilizó una tobera recta y la llama resultante se difunde relativamente rápido en la dirección vertical, arrastrando cantidades significativas de gases del horno. En comparación, en la fotografía de la figura 13B, se utilizó una tobera que incorpora las características de las figuras 8A y 8B y la llama resultante se difunde relativamente más lenta en la dirección vertical, arrastrando menos cantidad de gases del horno.

Aunque no se desea vincularlo a ninguna teoría, se considera que la velocidad reducida de difusión de la llama obtenida con la tobera del quemador que tiene el cuerpo achatado e intersticios deriva de dos factores. Uno es la pequeña cantidad de fluido anular secundario, en este caso oxígeno, que es admitido a través del intersticio interno 74 para mezclarlo con el fluido primario (gas natural). Esta mezcla crea una llama relativamente fría y débil que está anclada a la punta de la tobera. El anclaje de la llama a la punta de la tobera garantiza la presencia de reacciones de la llama que impiden el crecimiento de la vorticidad y, de este modo, reducen la velocidad de mezclado radial en el interior de la capa de cizallado entre los chorros de combustible y de oxígeno. Además, la naturaleza relativamente débil y fría de la llama significa que los valores iniciales de las velocidades de reacción son reducidos; por consiguiente, la expansión volumétrica inicial de la lámina de la llama, inducida por la combustión, quedan minimizadas. El segundo factor es que el cuerpo achatado 70 crea una separación física entre el contacto inicial del combustible y el oxígeno que fluyen a través del intersticio interno 74 con el resto del oxígeno anular que fluye alrededor del cuerpo achatado a través del intersticio externo 72. Este retraso adicional en la mezcla oxígeno-combustible prolonga la baja velocidad inicial de expansión volumétrica de la lámina de llama.

Preferentemente, el cuerpo achatado 70 tiene una altura (h) que es del 50 % al 150 % de la altura (H) de la tobera central 22 del elemento reactante primario, tal como está representado en la figura 9. Además, tal como se muestra en la figura 9, un cuerpo achatado 80 también puede estar posicionado en el conducto central 20 del primer elemento reactante, más arriba de la tobera 22. El cuerpo achatado 80 tiene preferentemente una dimensión transversal (d) tal que ocupa del 25 % al 75 % del área de la sección transversal del conducto central, y una longitud del rebaje L, desde el plano de descarga 12 del quemador que está comprendido entre 2 y 20 veces la dimensión transversal (d). El efecto en la mecánica de fluidos del cuerpo achatado 80 es el de separar el elemento reactante primario en el conducto central 20 en dos chorros exteriores de alta velocidad y un núcleo o estela axial de baja velocidad. La ventaja principal de esta separación es que, cuando el chorro de la llama emerge en el horno, la segregación del elemento reactante primario con respecto al flujo del segundo elemento reactante regulado aumenta más allá de lo que haría sin esta separación. Por ejemplo, si el oxígeno (como el segundo elemento reactante) es regulado por encima de la llama, la parte de alta velocidad del combustible (como el primer elemento reactante) que fluye en la parte baja de la tobera central se protege más sustancialmente de mezclarse con el oxígeno regulado por encima. A la inversa, si el oxígeno es regulado por debajo de la llama, la parte de alta velocidad del combustible que fluye en la parte superior de la tobera central es protegido más sustancialmente de mezclarse con el oxígeno regulado por debajo. Estos escenarios se muestran en las figuras 10 y 11.

No obstante, el cuerpo achatado 80 posicionado en el conducto 20 del elemento reactante primario puede ser propenso a crear una emisión de vórtices en su estela. Estos vórtices pueden incrementar sustancialmente la velocidad de mezclado entre el primer y el segundo elementos reactantes cerca del plano de descarga 12 del quemador, lo que conduce a una combustión más rápida y a emisiones de NOx más elevadas. Para mitigar este efecto potencial, se puede añadir una placa de separación del borde trasero 82 a lo largo de la línea central del eje del conducto central 20 más abajo del cuerpo achatado 80. Preferentemente la placa de separación 82 está ligeramente separada del cuerpo achatado 80 para permitir la igualación de la presión en el lado corriente abajo del cuerpo achatado 80, y la placa de separación tiene preferentemente una longitud (x) que es igual o mayor que la dimensión (d) del cuerpo achatado 80, y más preferentemente tiene una longitud (x) que es de 1 a 10 veces la dimensión transversal (d). El borde trasero de la placa de separación no debe, sin embargo, extenderse nunca más allá del plano de descarga 12 del quemador.

El efecto real de colocar un cuerpo achatado 80 además de la placa de separación 82 siguiendo la línea central del conducto central 20 se presenta en las figuras 13A y 13B, que son imágenes fotográficas tomadas, respectivamente, de llamas con y sin la combinación del cuerpo achatado 80 además de la placa de separación 82. El cuerpo achatado ocupa el 50 % del área de la sección transversal del flujo del conducto central, tiene una dimensión de rebaje, d/L, igual a 14 y una placa de separación que tiene una dimensión longitudinal, x/d, igual a 5. Las fotografías fueron tomadas corriente abajo de la llama a lo largo del eje de la llama, nominalmente con el 90 % del oxígeno del quemador introducido a través de la cámara superior 56 de regulación (el resto a través del conducto anular 36). La zona opaca debajo de la llama representa una nube de hollín y es una medida del tamaño de la zona de reducción bajo la llama que está activada para la disipación de la espuma secundaria. A partir de la comparación de estas fotografías es evidente que el tamaño de la zona de reducción llena de hollín es sustancialmente mayor en el caso de la tobera con el cuerpo achatado 80 y la placa de separación 82.

Tal como se ha descrito en este documento, un quemador de oxígeno-combustible con doble regulación que permite la opción de escoger tanto suministro regulación por debajo (oxígeno secundario debajo de la llama primaria) como regulación por encima (oxígeno secundario sobre la llama primaria), proporciona los beneficios de la regulación de oxígeno para una eficiencia de fusión más elevada y menores emisiones de NOx, así como la capacidad de reducir la formación de espuma. El quemador actualmente reivindicado permite a los usuarios controlar tanto la magnitud como la ubicación de la regulación de oxígeno. Tal como se ha descrito anteriormente, el quemador está equipado con tres pasos: una abertura primaria que aloja las toberas del quemador del combustible y del oxígeno, aberturas superiores e inferiores del oxígeno para introducir el oxígeno regulado, y dos válvulas para controlar la dirección y el caudal de oxígeno entre los tres pasos.

Comparado con el quemador de la técnica anterior de la Patente ‘189, en el que la regulación de oxígeno (por debajo) está limitada al 70 % del oxígeno entrante, el quemador actualmente reivindicado es capaz de funcionar con seguridad con una regulación de oxígeno superior al 95 %. Al comprobar los resultados en un horno de vidrio de contenedor en el que los quemadores actualmente reivindicados sustituyeron los quemadores de la técnica anterior de la Patente ‘189, el consumo específico de energía, los defectos en el vidrio y las emisiones de NOx se redujeron todos ellos. Concretamente, tal como se muestra en la figura 19, el consumo específico de energía disminuyó en un 3 %. Y los defectos en forma de pequeñas burbujas y poros disminuyeron aproximadamente en un 40 % (43 % menos burbujas pequeñas, y 38 % menos poros, como se muestra en las figuras 20 y 21, respectivamente). Adicionalmente, las emisiones de NOx se redujeron en un 40 % (ver figura 22). Sin vincularlo a la teoría, estos efectos beneficiosos se considera que son el resultado tanto de la capacidad para incrementar la proporción de regulación más allá de lo que se podía conseguir anteriormente en los quemadores de la técnica anterior y la capacidad de romper la espuma durante la operación de fusión. Esto es, se considera que las menores emisiones de NOx son el resultado de una mayor proporción de oxígeno regulado, hecho posible por el diseño del presente quemador, mientras que la reducción en los defectos fue debida a la utilización de la regulación de oxígeno por encima en la zona de refino con el resultado de eliminar la espuma secundaria (ver figuras 23A y 23B; tener en cuenta el aspecto de superficie especular con el quemador actualmente reivindicado). En lo que se refiere a la reducción de consumo de combustible, esto se consiguió mediante los factores antes mencionados.

Es evidente que la reducción de la espuma en la zona de refino no solamente redujo los defectos, sino también disminuyó la resistencia a la transferencia de calor al vidrio, contribuyendo de este modo a la mayor eficiencia del combustible. Además, cuando es aplicada a quemadores en la zona de fusión de la carga, el incremento de regulación por debajo tuvo el resultado de un incremento de luminosidad de las llamas del quemador actualmente reivindicado con respecto a las de los quemadores ‘189 de la técnica anterior. Ver, por ejemplo, las figuras 24A y 24B en las que se observa la variación en el contraste entre el brillo de la llama y la pared frontal para los dos quemadores; la llama del quemador presente en la figura 24B con regulación de oxígeno por debajo de la llama es mucho más luminosa que la llama del quemador presente en la figura 24A sin regulación (tener en cuenta que la cámara que toma las imágenes realiza una autocorrección del brillo global, de modo que el contraste de la llama en la figura 24B realmente destaca comparado con la llama de la figura 24A que casi se confunde con la pared caliente del horno en un segundo plano). Esto incrementa la velocidad de transferencia de calor por radiación al vidrio en dicha zona del horno.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Quemador (10) de oxígeno-combustible que comprende:

un elemento (28) central del quemador que comprende:

un conducto central (20) que tiene un eje central y termina en una tobera central (22); y

un conducto anular (30) que termina en una tobera anular (32) que rodea y es coaxial con el conducto central (20), estando el conducto anular (30) y el conducto central (20) separados por una pared anular;

estando dispuesto el conducto central (20) para que fluya un primer elemento reactante (R1) y estando dispuesto el conducto anular (30) para que fluya un segundo elemento reactante (R2);

un primer conducto (50) de regulación separado de un lado del elemento central (28) del quemador y que termina en la primera tobera (52) de regulación;

un segundo conducto (60) de regulación separado de un lado opuesto del elemento central (28) del quemador y que termina en una segunda tobera (62) de regulación;

un primer mecanismo dispuesto para distribuir un flujo del segundo elemento reactante (R2) entre un flujo primario no nulo del segundo elemento reactante dirigido al conducto anular (28) y un flujo secundario no nulo del segundo elemento reactante;

en el que uno del primer y segundo elementos reactantes (R1, R2) es un combustible y el otro del primer y segundo elementos reactantes (R1, R2) es oxígeno,

caracterizado por que

el quemador (10) de oxígeno-combustible comprende, además, un segundo mecanismo dispuesto para distribuir selectivamente el flujo secundario del segundo elemento reactante (R2) entre el primer conducto (50) de regulación y el segundo conducto (60) de regulación,

en el que el primer mecanismo comprende una limitación del flujo variable para regular el flujo primario del segundo elemento reactante (R2) al conducto anular (28) regulando indirectamente de este modo el flujo secundario del segundo elemento reactante (R2) al segundo mecanismo de una manera complementaria, y

en el que el segundo mecanismo comprende una válvula (44) para dirigir de forma selectiva el flujo del segundo elemento reactante (R2) entre el primer conducto (50) de regulación y el segundo conducto (60) de regulación.

2. Quemador de oxígeno-combustible, según la reivindicación 1, en el que la tobera central (22) y la tobera anular (32) tienen ambas una forma no circular con una relación entre dimensiones mayor o igual a 2, en la que la relación entre dimensiones es la relación entre la dimensión de la máxima abertura con respecto a la dimensión de la mínima abertura.

3. Quemador de oxígeno-combustible, según la reivindicación 1 o 2, en el que los conductos (50, 60) de regulación tienen ambos una forma no circular con una relación entre dimensiones mayor o igual a 2, en el que la relación entre dimensiones es la relación entre la dimensión de la máxima abertura con respecto a la dimensión de la mínima abertura, y en el que un eje que define la dimensión de la abertura máxima de la tobera central (22) y los ejes que definen las dimensiones de la abertura máxima respectiva de cada uno de los conductos (50, 60) de regulación son sustancialmente paralelos entre sí.

4. Quemador de oxígeno-combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la válvula (44) es una válvula de tres vías configurada para dirigir el flujo secundario del segundo elemento reactante (R2) al primer conducto (50) de regulación o al segundo conducto (60) de regulación, o a una combinación del primer conducto (50) de regulación y del segundo conducto (60) de regulación, de forma simultánea.

5. Quemador de oxígeno-combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende, además, un dispositivo para detectar las condiciones en el interior de un horno dentro del cual está encendido un quemador, estando configurado el dispositivo para accionar el segundo mecanismo para dirigir el flujo secundario del segundo elemento reactante (R2) al primer conducto (50) de regulación o al segundo conducto (60) de regulación, o a una combinación del primer conducto (50) de regulación y del segundo conducto (60) de regulación de forma simultánea, dependiendo de las condiciones detectadas.

6. Quemador de oxígeno-combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende, además, un bloque (100) del quemador que tiene un paso central (128) en el que vierte el elemento central (28) del quemador y un primero y segundo pasos de regulación en los cuales vierten respectivamente la primera y la segunda toberas (52, 62) de regulación.

7. Quemador de oxígeno-combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende, además: un cuerpo achatado (70) posicionado en la tobera anular (32) y que forma una tobera interna en un lado del cuerpo achatado (70) proximal a la pared anular y una tobera externa en el lado opuesto del cuerpo achatado (70), distal de la pared anular, teniendo la tobera interna un área de la sección transversal menor que la de la tobera externa.

8. Quemador de oxígeno-combustible, según la reivindicación 7, en el que la tobera interna tiene un área de la sección transversal no nula, no mayor del 10 % de la de la tobera externa.

9. Quemador de oxígeno-combustible, según la reivindicación 7 u 8, que comprende, además:

un cuerpo achatado (80) que tiene una cierta altura, estando posicionado el cuerpo achatado en el eje central del conducto central (20) y corriente arriba de la tobera central (22) a una distancia axial de 2 a 20 veces la altura del cuerpo achatado.

10. Quemador de oxígeno-combustible, según la reivindicación 9, que comprende, además:

una placa de separación (82) posicionada a lo largo del eje central del conducto central (20), corriente abajo del cuerpo achatado (80), teniendo la placa de separación (82) una longitud de 1 a 10 veces la altura del cuerpo achatado.

11. Procedimiento de funcionamiento de un horno de vidrio de oxígeno-combustible (500) que contiene un baño de vidrio y comprende una zona de fusión (520) y una zona de refino (530), en el que una primera pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible según la reivindicación 1 están posicionados para quemar en la zona de fusión (520) y una segunda pluralidad de los quemadores de oxígeno-combustible según la reivindicación 1 están posicionados para quemar en la zona de refino (530), en el que para cada quemador el primer conducto (50) de regulación está posicionado entre el elemento central (28) del quemador y el baño de vidrio y el segundo conducto (60) de regulación está posicionado entre el elemento central (28) del quemador y el techo del horno, comprendiendo el procedimiento:

dejar fluir combustible como el primer elemento reactante (R1) y oxígeno como el segundo elemento reactante (R2); activar la primera pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible para crear una atmósfera rica en oxígeno (oxidante) adyacente al baño de vidrio; y

activar la segunda pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible para crear una atmósfera rica en combustible (reductora) adyacente al baño de vidrio.

12. Procedimiento, según la reivindicación 11,

en el que la atmósfera oxidante es creada distribuyendo, por lo menos, el 50 % del flujo de oxígeno secundario de la primera pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible al primer conducto (50) de regulación; y

en el que la atmósfera reductora es creada distribuyendo, por lo menos, el 70 % del flujo de oxígeno secundario al segundo conducto (60) de regulación, o

en el que la atmósfera oxidante es creada activando la primera pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible pobre en combustible con una proporción estequiométrica mayor de 1; y

en el que la atmósfera reductora es creada activando la segunda pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible rica en combustible con una proporción estequiométrica mayor de 1;

en el que la proporción estequiométrica de un quemador se define como la proporción de flujo de oxígeno a combustible a través del quemador dividida por la proporción de flujo de oxígeno a combustible requerida para completar teóricamente una combustión estequiométrica completa con un exceso nulo de oxígeno.

13. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, que comprende, además:

medir como mínimo un parámetro del horno seleccionado entre el grupo de: un parámetro que indique la situación de la superficie del vidrio, un perfil de la temperatura del horno, una temperatura del gas de salida del horno, y una composición del gas de salida del horno; y

para como mínimo uno de los quemadores de oxígeno-combustible, controlar uno o varios de la velocidad de encendido, la proporción oxígeno/combustible y la distribución del flujo de oxígeno secundario en base al, por lo menos, un parámetro medido del horno.

14. Procedimiento, según la reivindicación 13, que comprende, además:

cuando el parámetro medido indica espuma en la superficie del vidrio, cambiar, como mínimo, uno de los quemadores en la primera pluralidad de quemadores de oxígeno-combustible de crear una atmósfera oxidante adyacente al baño de vidrio a crear una atmósfera reductora adyacente al baño de vidrio.