MXPA04011343A - Composicion baja en nox. - Google Patents

Abstract

La combustion de liquidos de hidrocarburo y solidos se logra con menos formacion de NOx al alimentar una pequena cantidad de oxigeno en la corriente de combustible.

Description

COMPOSICIÓN BAJA EN NOX CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a. combustión de combustibles de hidrocarburo que contienen nitrógeno unido, particularmente de carbón. · ' . - „ . ¦ ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El interés ambiental se desarrolla en EE.UU y alrededor del mundo conduciendo a presiones reguladores y públicas, crecientes para reducir emisiones contaminantes de hervidores, ¡incineradores y hornos. Un contaminante de interés particular es NOx (que significa óxidos de nitrógeno tales como pero no limitados a NO, N02, N03, N20, N203, N204, N 3O4 , y mezclas de los mismos), que se ha implicado en lluvia ácida, ozono de nivel terrestre, y formación de particulado fino. Un número de tecnologías se encuentra disponible para reducir emisiones de NOx. Estas tecnologías pueden dividirse en dos clases principales, primarias y secundarias. Las tecnologías primarias reducen o evitan la formación de NOx en la zona de combustión al controlar el ¡proceso de combustión. Las tecnologías secundarias utilizan químicos para reducir NOx formado en la zona de combustión a nitrógeno molecular. La invención actual es una tecnología de control primaria. En tecnologías de control primaria, diferentes estrategias de combustión se utilizan para controlar el así llamado "NOx térmico" y " Ox combustible". NOx térmico se forma mediante oxidación de moléculas de nitrógeno, N2, principalmente en aire de combustión a alta temperatura. Es la fuente principal de emisiones de NOx de aceites ligeros y gas natural. La estrategia de control principal para reducir NOx térmico es reducir la témperatura de flama máxima. NOx combustible se forma mediante la oxidación de especies nitrogenosas contenidas en combustible y es la fuente principal de emisiones NOx de combustión de carbón y aceite pesado. La invención actual se refiere a métodos de combustión mejorados para controlar la emisión de NOx combustible. La tecnología de control primaria para NOx combustible se llama comúnmente combustión en etapas en la cual el mezclado entre el aire de combustión y combustible se controla cuidadosamente para reducir la formación de NOx. La -formación de NOx de nitrógeno de combustible se basa en una competencia entre la formación de NOx y la formación de N2 de las especies nitrogenosas en los volátiles combustibles y nitrógeno de carbón de leña. Las condiciones ricas en oxígeno conducen la competencia a formación de NOx. Las condiciones ricas en combustible conducen las reacciones para formar !N2. La combustión en etapas toma ventaja de este fenómeno al controlar cuidadosamente el mezclado de aire y combustible para formar una región rica en combustible para ¡prevenir ¡la formación de NOx. Para reducir las emisiones de NOx, la región rica en combustible debe ser suficiente caliente ¡para accionar las cinéticas de reducción de NOx. Sin embargo, suficiente calor tiene que transferirse de la primer etapa rica en combustible a la carga de calor de horno para prevenir la formación de NOx térmica en la segunda etapa. Un quemador bajo en NOx convencional (LNV) incluye una primer zona rica en combustible, cerca» del orificio de alimentación, -que se controla principalmente mediante el mezclado y combustión de combustible y aire primario, y a algún grado, aire secundario o terciario adicional mezclado en esta zona. Para combustión de carbón pulverizado, se utiliza el aire primario para transportar las partículas de carbón. En una segunda zona, el resto de aire secundario y cualquier aire terciario se mezclan con el combustible no quemado y productos de combustión parcial de la primer etapa y completan la combustión. Un requerimiento importante del proceso para combustión en etapas es transferir una cantidad suficiente de calor de la primer etapa rica en combustible a la carga de calor del horno para enfriar los productos de combustión de la primer etapa. La temperatura inferior de la segunda etapa ayuda a reducir la conversión de compuestos nitrogenosos restantes en NOx y también prevenir la formación de NOx térmico en la segunda etapa. En un LNM aerodinámicamente en etapas, todo el aire de combustión se introduce del mismo puerto quemador o adyacente al puerto quemador. La configuración más común de un quemador de carbón bajo en ¡NOx es tener una serie de pasajes anulares ¡para carbón/aire primario , aire secundario y aire terciario. El pasaje central con frecuencia se utiliza para pistola de aceite o para gas natural para iniciar el calentamiento . Los flujos de aire secu ndario y tercia rio se equ ipan con generadores de turbu lencia para impartir flujos de tu rbulencia para crear una zona de recirculación para estabilidad de la flama. Las velocidades del aire y turbulencia se ajustan para crear una primer zona rica en combustible relativamente grande a lo largo del eje del quemador, seguido por el mezclado gradual de aire secu ndario y terciario a lo largo de la longitud del horno. Ya que suficientes velocidades de aire deben proporcionarse para mezclar combu stible y aire dentro del espacio de horno para completar la combustión, es difícil crear una zona rica en combustible relativamente grande para proporcionar un tiempo de residencia suficientemente largo para reducción de NOx máxima. Au nque LNB es una manera casi no costosa de reducir NOx y mu chos avances se han hecho en el diseño del quemador, las versiones actualmente disponibles no son aún capaces de alcanzar los límites de emisión en regulaciones pendientes de 56 g (como N02) por MBtu de carbón quemado para hervidores de utilidad . Aquellos expertos en la materia han superado las llimitaciones de un LNB aerodinámicamente en etapas por u na instalación de combustión globalmente en etapas utilizando "aire secunda rio" (OFA) . OFA se inyecta por separado de un quemador o u n grupo de quemadores para proporcionar una zona de combustión primaria rica en combustible grande (PCZ) y una zona de quemado exterior (BOZ) donde la combustión se completa al mezclar OFA y combustible no quemado y los productos de combustión parcial de la PCZ. Típicamente los puertos de OFA se separan en al menos un diámetro de puerto quemador del quemador más alejado . A pesar del mezclado de combustible y aire y las condiciones estequiométricas locales cerca del - puerto quemador de un quemador individual son similares a aquellas sin OFA, una PCZ rica en combustible, grande, se forma fuera de la zona de mezclado de aire de combustión cerca del quemador. Debido a la separación física de los puertos de inyección de OFA, el tiempo de residencia en la PCZ rica en combustible es mucho más largo que aquel típicamente obtenido en la primer zona rica en combustible de un q uemador aerodinámicamente en etapas. La combinación de puertos OFA y LNB's ha permitido la reducción en emisiones de NOx. ' Los quemadores bajos en NOx y aire secundario representan una tecnolog ía casi madura y como tal se tratan ampliamente por toda la patente y literatura de archivos. Muchas ideas se han propuesto para aumentar la efectividad de LNB's y OFA mientras se minimizan los impactos dañinos tal como estabilidad de flama deficiente y carbón incrementado en la ceniza. De estas ideas dos son particularmente relevantes: precalentar el aire a lia primer etapa , y convertir el combustor a q uemado de oxi-combustible. Tanto el precalentamiento de aire como la combustión de oxi-combustible au menta n la combustión en etapas para reducción de INOx combustible al incrementar lia temperatura en la zona de combustión primaria sin incrementar la proporción estequiométrica . La combustión de oxi-combustible ofrece la ventaja adicional de tiem pos de residencia más largos en la región rica en combustible , debido a flujos de gas inferiores, que se han mostrado reducir emisiones de NOx. Como se trata arriba, la combustión en etapas utiliza una etapa rica en combustible para promover la formación de N2 en lugar de NOx. Ya q ue las reacciones para formar N2 se controlan cinéticamente, tanto la temperatura como la concentración de radical de hidrocarburo son críticas para reducir la formación de NOx. Por ejemplo, si la temperatura es alta y la concentración de radical es baja, tal como bajo las condiciones suavemente en etapas o no en etapas, la formación de NOx se incrementa . Cuando la concentración de radical es alta pero la temperatura es baja , tal como bajo condiciones profundamente en etapas, la conversión de las especies intermedias tal como HCN a N2 se retarda. Cuando se agrega aire para completar el quemado, los intermed ios se oxidan para formar NOx, por lo tanto se incrementa la formación de NOx neta . Sarofim et a/., "Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions During Combustión of Nitrogen bearing fuels", . 69th Annual Meeting of the AlChe, Chicago, 1L, !Nov. 1976 y otros han sugerido que las cinéticas de la primer etapa pueden aumentarse al precalentar el aire de combustión a temperaturas casi altas. Alternativamente obayashi et al. , "NOx Emisión Characteristics of Industrial Bu mers and Control Methods Under Oxygen-Enriched Combustión Conditions", Iníernatonal Fíame Research Foundation 9th Members' Conference, Noordwijkerhout, Mayo 1 989) , sugieren que utilizando oxígeno en lugar de aire para combustión también incrementaría las cinéticas. La combustión de oxi-combustible, cuando se controla la temperatura de flama por el diseño del quemador, reduce además la formación de NOx térmico al eliminar substancialmente N2 en aire de combustión . En ambos casos , el resu ltado entonces que la temperatura del gas en la primer etapa se incrementa, resultando en formación de NOx reducida. Además, utilizando tanto precalentamiento de aire como quemado de oxi-combustible permite que la primer etapa sea más profundamente en etapas sin degradar la estabilidad de la flama. Esto permite aún reducción adicionales en formación de NOx. El quemado de oxi-combustible ofrece una ve ntaja adicional para L B's. Timothy et al. , ("Characteristícs of Single Partióle Coal Combustión", 1 9lh Symposíum (International) on Combustión , The Combustión Insitute, 1 983) mostró que los tiempos de devolatilización se reducen significativamente, y la producción volátil se incrementa, cuando el carbón que quema en condiciones enriquecidas en oxígeno. Estas pruebas son pruebas de combustión de pa rtícula única realizadas bajo condiciones de combustible altamente magras, que no proporcionan información en como mucho oxígeno se necesita para realizar esto bajo condiciones de combustión real ísticas. La producción volátil más alta significa que ¡los combustibles en la fase de gas incrementan en comparación con la línea base, conduciendo a una fase de gas más -rica en combustible que inhibe ia formación de NOx de las especies de nitrógeno volátil. Además, los volátiles de combustible se encienden rápidamente y sujetan la flama al quemador, que se ha mostrado con formación de NOx inferior. La producción volátil aumentada también conduce a tiempos de quemado más cortos ya que resta menos carbón de leña .

— ?- O. Marin et a/. , tratan los beneficios de oxigeno para combustión de carbón en u n documento titulado "Oxygen Enrich ment ¿n Boiler" (2001 AFRC/JFRC/I EA Joint International Combustión Symposium , Kaui , Hl, Sep 9-1 3, 2001 ). Proponen la inyección de oxígeno en el aire secundario (también descrito como "aire terciario" en este docu mento) , para reducir carbón no quemado en ceniza, o Pérdida en Ignición (LOI), sin incrementar la emisión de NOx. Los resultados de la simulación por computadora se reportaron por Marín , et al. , en comparación con el caso de aire de línea base y un caso enriquecido en oxígeno con una corriente enriquecida en oxígeno , de alta velocidad, en el aire terciario (también denominado aire secundario). De acuerdo a Marín , ef al., "Se observa un incremento del 5% en la transferencia de calor en la cámara de combustión, combinada con un 7% de incremento absoluto en el quemado de carbón de leña", (página 8). ¡La Patente de EE. UU. No. 4 ,495,874 describe el enriquecimiento de oxígeno de aire primario y/o secundario en quemadores quemados de carbón pulverizado para incrementar la tasa de un quemador que enciende carbón pulverizado rico en ceniza . Ejemplo 4, para describir líos efectos de enriquecimiento de oxígeno en emisiones NO cuando se quema el carbón rico en ceniza, se dice que el oxígeno agregado al aire primario o igualmente aire primario o secundario inicialmente incrementó contenido de NO a aproximadamente 2% de enriquecimiento (que se define como 23% de concentración de 02 de aire total), pero reduce agudamente la cantidad de No en el gas combustible a -enriquecimientos más altos. Por ejemplo, a un 4 por ciento de enriquecimiento, NO se reduce por aproximadamente 18-21 por ciento. Sin embargo, no existe reducción de NO resultante cuando el oxígeno se agrega solamente al aire secundario. De hecho, existe un incremento en concentración de NO de aproximadamente 12 por ciento. Aunque la técnica anterior describe varias mejoras elegantes para combustión en etapas y LNB's, varios problemas prácticos han limitado su aplicación. Primero, el precalentamiento del aire de combustión a los niveles requeridos para aumentar las cinéticas requiere varias modificaciones tanto para el sistema como la tubería de aire. El calentador de aire y secciones economizadoras deben modificarse para permitir que el aire entrante se caliente a temperaturas más altas, que pueden requerir modificaciones para el resto de los componentes de ciclo de vapor. La caja de viento y las tuberías, así como también el quemador, también deben modificarse para manejar el aire caliente. Todas las modificaciones pueden ser costosas y pueden tener un impacto negativo en ¡la operación del ¡hervidor. La barrera primaria para el uso de quemado de oxi- . i n combustible en hervidores ha sido el costo del oxígeno. Para que el uso de oxígenos sea económico, los ahorros de combustible logrados al incrementar la eficiencia del proceso deben ser mayores que el costo del oxígeno suministrado. Para operaciones a alta temperatura, tales como hornos sin recuperación de calor significativa, esto se logra fácilmente. Sin embargo, para operaciones más eficientes, tales como hervidores, los ahorros de combustible logrados al utilizar el quemado de oxi-combustible es típicamente más inferior que el costo de oxígeno. Por ejemplo, si un hervidor de utilidad con carbón quemado típico se convierte de quemado de aire a quemado de oxígeno, aproximadamente 15 a 20% de la salida de energía de ese hervidor se requeriría para producir el oxígeno necesario. Claramente, esto no es económico para la mayoría de los hervidores. De esta manera permanece una necesidad de un método para lograr las emisiones de NOx reducidas en combustión de combustible (particularmente carbón) que contiene uno o más compuestos nitrogenosos y especialmente para un método que puede llevarse a cabo en hornos existentes sin requerir modificaciones estructurales extensivas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un aspecto de ¡la ¡presente invención, que también puede considerarse un método para iretroajustar los dispositivos de combustión existentes, es un método que reduce la cantidad de NOx emitido que comprende: proporcionar un dispositivo de combustión que tiene una zona de combustión primaria y una zona de quemado exterior; alimentar aire, y combustible no acuoso que contiene nitrógeno quemado y se selecciona del grupo que consiste de líquido de hidrocarburo atomizado y sólidos de hidrocarburo pulverizados, a través de un quemador hacia dicha zona de -combustión primaria; y quemar el combustible en una flama en la zona de combustión primaria que tiene una zona rica en combustible, mientras se alimenta el oxígeno en dicho combustible al inyectarlo directamente en dicho combustible en dicha zona de combustión primaria a medida que dicho combustible emerge de dicho quemador o al agregarlo al aire que se alimenta a través de dicho quemador, de manera que el oxígeno se quema con dicho combustible en dicha zona rica en combustible, en una cantidad de dicho oxígeno que es menor a 20% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa de dicho combustible, y ajusfar la cantidad de aire alimentado a través de dicho quemador de manera que la proporción estequiométrica en dicha zona de combustión primaria es entre 0.6 y 0.99, y agregar aire en dicha zona de quemado exterior de una fuente diferente a dicho quemador en una cantidad que contiene suficiente oxigenó que la cantidad total de oxígeno alimentado en dicho dispositivo es al menos la cantidad estequiométrica necesaria para completar Ja combustión de dicho combustible, y quemar combustibles ¡residuales de dicha zona de combustión primaria en d icha zona de quemado exterior. Otro aspecto de la presente invención puede considerarse un método para operar un dispositivo de combustión , ya sea retroajustado o construido que incluye nuevas características de esta invención, en donde el método reduce la cantidad de NOx emitido, que comprende: . . ... . proporcionar un dispositivo de combustión; alimentar aire, y combustible no acuoso que contiene nitrógeno quemado y se selecciona del grupo que consiste de líquido de hidrocarburo atomizado y sólidos de hidrocarburo pulverizados, a través de un quemador aerodinámicamente en etapas hacia dicho dispositivo ; y quemar dicho combustible en una flama que contiene una zona rica en combustible, mientras alimentar el oxígeno en dicho combustible al inyectarlo d irectamente en dicho combustible en dicha zona rica en combustible a medida que dicho combustible emerge de dicho quemador o al agregarlo al aire que se alimenta a través de dicho quemador, de manera que el oxígeno se quema con dicho combustible en dicha zona rica en combustible, en una cantidad de dicho oxígeno que es menor a 20% de la cantidad estequiométrica requerida ¡para combustión completa de dicho combustible, y ajustar la cantidad de aire alimentado a través de dicho quemador de manera que la proporción estequiométrica en dicha zona de rica en combustible es entre 0.1 y 0.85, mientras ¡mantiene o alarga el tamaño de dicha zona rica en combustible en comparación con su tamaño cuando la combustión se lleva a cabo en dicho dispositivo de combustión sin dicho paso de alimentación de oxígeno pero bajo condiciones de otra manera idénticas. . , Como se utiliza en la. -presente el término "proporción estequiométrico" cuando se utiliza en el contexto de la corriente oxidante que contiene oxígeno y una corriente de combustible significa la proporción de oxígeno en la corriente oxidante y la corriente de combustible a la cantidad total de oxígeno que sería necesaria para convertir completamente todo el carbono, azufre e hidrógeno presentes en las substancias que comprenden la corriente de combustible en dióxido de carbono, dióxido de azufre y agua. Como se utiliza en la presente, el término "rico en combustible" significa que tiene una proporción estequiométrica menor a 1 .0 y el término "combustible malgro2 que tiene una proporción estequiométrica mayor a 1 .0. Como se utiliza en la presente, el término "nitrógeno unido" significa nitrógeno presente en un molécula diferente a N2. Como se utiliza en la presente, "no acuoso" significa no suspendido en, disuelto en, o distribuido en, y que no contiene agua, excepto que no excluye agua absorbida o agua de hidratación. Como se utiliza en la presente, el término "zona de combustión ¡primaria" significa la región dentro de un dispositivo de combustión linmediatamente adyacente a las salidas del quemador y que se ocupa mayormente por la flama o flamas del quemador o quemadores . Como se utiliza en la presente , el término "zona de quemado exterior" significa la región dentro de un dispositivo común que está entre la zona de combustión primaria y el combustible, fuera de . la flama o flamas que se encuentran . en la zona .de combustión primaria , donde el aire secundario se inyecta y los combustibles resid uales y combustibles de la zona de combustión primaria se q ueman con aire secundario. Como se utiliza en la presente , el término "aire de combustión primaria" significa aire que ya se ha mezclado con combustible como el combustible y este aire se alimenta hacia una d ispositivo de combustión, por ejemplo, a través de u n orificio de u n q uemador. Como se utiliza en la presente, el término "aire de combustión secundaria" significa aire que se alimenta en u n dispositivo de combustión a través de uno o más orificios de un quemador, pero que no se ha mezclado con combustible a medid a que este aire se alimenta en el dispositivo de combustión . Un quemador q ue tiene orificios para aire secund ario ¡puede tener adicionalmente orificios adicionales para alimentar aire, tales orificios adicionales se encuentran más allá del punto de entrada del combustible a través del quemador del que lo que se encuentran Jos orificios para el aire secundario. Como se utiliza en la presente, el término "aire de combustión terciario" significa aire que se alimenta en un dispositivo de combustión a través de tales orificios adicionales. Si un quemador también tiene orificios colocados aún más allá del punto de entrada del combustible que los orificios para el aire terciario, entonces al aire alimentado a través de tales orificios se denomina aquí "aire de combustión cuaternario". . Como se utiliza en la presente, el término "quemador aerodinámicamente en etapas" significa que un quemador en el cual todo el aire de combustión se introduce del mismo puerto quemador o adyacente al puerto quemador, y es capaz de operar bajo condiciones en las cuales las velocidades del aire y patrones de flujo están presentes, lo que crea una primer zona rica en combustible relativamente grande a lo largo del eje del quemador, seguido por mezclado relativamente gradual de aire secundario y terciario, a lo ¡largo de la longitud del horno. Como se utiliza en la presente, el término "aire secundario" (u "OFA") significa aire que se inyecta en un dispositivo de combustión separadamente del quemador o quemadores en el dispositivo de combustión para proporcionar una zona de combustión primaria rica en combustible, grande y una zona de quemado exterior donde la combustión se completa al mezclar OFA con el combustible mo quemado y los productos de combustión parcial de la zona de combustión primaria. Las referencias en ¡a presente a "oxígeno" de alimentación, al "oxígeno" que se alimenta, y otras referencias en la presente al uso de "oxígeno" en un contexto análogo, significan corrientes gaseosas que contienen al menos 35% en vol. de 02. Preferentemente, el oxígeno se proporciona como una corriente gaseosa que contiene al menos 50% en vol. de 02, más preferentemente que contiene al menos 80% en vol. de 02, y aún más preferentemente que contiene al menos 90% en vol. de 02- Debe entenderse -que - las referencias en la presente a combustión o reacción incluyendo "oxígeno" se refieren a 02.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una representación transversal de una modalidad del aparato para llevar a cabo la presente invención. La figura 2 es una representación transversal de un quemador útil para llevar a cabo la presente invención. Las figuras 3a-3d son representaciones transversales de lanzas útiles para alimentar oxígeno en quemadores de acuerdo con la presente invención . La figura 4 son los resultados de la prueba a escala de laboratorio que muestran la reducción de emisiones de NOx con la presente invención. La figura 5 son los resultados de la prueba del quemador bajo en NOx de escala piloto que muestran ¡la reducción de emisiones de NOx con ¡la presente invención . La figura 6 son los resultados de la prueba del quemador ¡bajo en ¡NOx de escala comercial que muestran la reducción de emisiones de NOx con a presente ¡invención.

La figura 7A es una vista transversal de otro tipo de horno quemador con el cual la presente invención puede utilizarse, en donde el combustible y oxidante se alimentan de puertos separados tangencialmente hacia el horno. La figura 7b es una vista superior del horno representado en la figura 7A, que muestra el flujo tangencial de combustible y oxidante hacia el horno. La figura 7C es una vista frontal desde el interior del horno que ve hacia las partes frontales de los puertos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención se describirá con referencia a las figuras, aunque una descripción que se refiere a las figuras no se propone para limitar el alcance de aquello que se considera la presente invención. La figura 1 muestra el dispositivo de combustión 1 , que puede ser cualquier aparato en donde la combustión se lleva a cabo en el interior 2 del dispositivo. Los dispositivos de combustión preferidos incluyen hornos y hervidores que se utilizan para generar vapor para generar energía eléctrica por medios convencionales, no mostrados. Cada quemador 3 es una pared lateral y pared final del dispositivo de combustión 1 alimenta combustible, aire y oxígeno de las fuentes del mismo fuera del dispositivo de combustión 1 hacia el interior 2 del dispositivo de combustión 1 . Los combustibles adecuados incluyen líquidos de 'hidrocarburo, tal como aceite combustible, y también incluyen sólidos dé hidrocarburo pulverizados, un ejemplo preferido que es carbón pulverizado o coque de petróleo. Como se observa en la figura 1 y más cercanamente en la figura 2, el quemador 3 preferentemente se comprende de varios pasajes concéntricamente colocados, aunque otras construcciones al mismo efecto pueden utilizarse. El combustible se alimenta en dispositivo de combustión 1 a través del pasaje anular 4, colocado concéntricamente alrededor de la lanza 5 a través de la cual el oxígeno se alimenta como se describe en la presente. preferentemente, el combustible se transporta de una fuente de suministro 20 a uno o más quemadores 3 e impulsa a través del quemador 3 hacia el interior 2 del dispositivo de combustión 1 , mediante medios de bombeo adecuados en el caso de líquidos tal como aceite combustible, y por sopladores e impulsores de diseño convencional en el caso, de sólidos de hidrocarburo tal como carbón pulverizado, que se alimentan convencionalmente en el dispositivo de combustión con la ayuda de aire de transporte (que es el aire de combustión primario). Los combustibles de hidrocarburo líquidos se alimentan preferentemente a través de una o más boquillas de atomización de diseño convencional, para alimentar combustible ilíquido en la cámara de combustión como gotas dispersas, discretas con aire atomizante. Una cantidad efectiva típicamente de aproximadamente 560 g a 746 g de aire primaria se utiliza para transportar 373 g de carbón , que corresponde a aproximadamente 20% ¡del aire de combustión estequiométrico requerido para combustión completa de carbón bitumonoso. Para combustión de aceite pesado aproximadamente 187 a 373 g de aire primario se utiliza para atomizar 373 g de aceite. Refiriéndose a la figura 2, el aire de combustión 22 se suministra por un ventilador FD a una o más cajas de viento 21 y se alimentan en. pasajes de aire de uno o, más quemadores 3. El aire de combustión secundario 15 se alimenta a través del quemador 3 hacia el dispositivo de combustión 1 , preferentemente a través de los pasajes anulares concéntricamente instalados que rodean el espacio anular 4 a través del cual el combustible de hidrocarburo se alimenta. Preferentemente, el aire de combustión terciario 16 se alimenta a través del quemador 3 hacia el dispositivo de combustión 1 , preferentemente a través de pasajes anulares concéntricamente instalados 12 que rodean el pasaje de aire secundario. Preferentemente, el aire de combustión también se alimenta a través del puerto de aire secundario 7 (observado en la figura 1 ) en el dispositivo de combustión 1 . Preferentemente, el oxígeno se alimenta en el interior 2 del dispositivo alejado de cualquier aire de combustión terciario y secundario. Es decir, el oxígeno que se alimenta a través del quemador 3 de acuerdo con esta invención preferentemente se consume completamente en combustión con el combustible, antes de que el oxigeno tenga una oportunidad de mezclarse con aire de combustión terciario o secundario antes o inmediatamente después de que se alimenta hacia el dispositivo de combustión 1 , especialmente cuando no se utiliza aire secundario. Alternativamente, refiriéndose a !la figura 2, el combustible podría alimentarse a través del pasaje anular 4, y el oxígeno alimentador a través de la lanza 5 rodeada por el pasaje anular 4 o el oxígeno, podrían alimentarse a través del pasaje 1 1 que rodea el pasaje anular 4. Los quemadores bajos en NOx preferidos tienen pasajes de aire primario (alimentación de combustible), secundario y terciario para buen ajuste aerodinámico. Sin embargo, otros diseños de quemador bajo en NOx utilizando alimentaciones de aire primario y secundario pueden utilizarse. Una vez que los establecimientos óptimos con los tres pasajes se han determinado, el pasaje y álabe de turbulencia de aire secundario pueden diseñarse para crear aproximadamente ¡las mismas características de mezclado aerodinámicas como con el diseño de tres pasajes. Alternativamente, los quemadores con un pasaje adicional (cuaternario) pueden utilizarse (tal como el quemador RSFC™ descrito en la Patente de EE.UU 5,960,724). Antes de que se retroajusta un dispositivo de combustión de acuerdo con la presente invención para reducir la formación de NOx formado en la operación del dispositivo de combustión, la lanza 5 para alimentar oxígeno no está presente. La combustión se lleva a cabo entre el combustible de hidrocarburo y el oxígeno en el aire de combustión , resultado en la formación de una flama 6. La región 8 de la flama más cercana al final del quemador 3, es decir, donde el combustible de hidrocarburo surge del quemador, es la zona rica en combustible. El área de Ja flama 6 alrededor de su periferia es relativamente magra, como aire de combustión secundario y terciario no se ha mezclado completamente o reaccionado con combustible. Cuando la cantidad de aire de combustión 22 al quemador 3 se reduce y una cantidad suficiente de aire se alimenta del puerto de aire secundario 7 para clasificación de combustión global, la zona inferior completa del horno, o zona de combustión primaria (PCZ) 10, debajo del puerto de aire secundario 7 se vuelve rica, excepto las áreas cerca de los quemadores 3 en donde el aire se inyecta y no se mezcla completamente o reacciona con combustible. Entonces, en la implementación de la presente invención , Ja lanza 5 se agrega . Alternativamente, un quemador que alimenta combustible y aire de combustión se reemplaza con un quemador que se realiza como se muestra en las figuras. Preferentemente, el aire también se alimenta a través de la abertura del puerto de aire secundario 7 hacia el interior del dispositivo de combustión 1 , para hacer la zona de combustión primaria 10 menos magra de combustible o más rica en combustible y proporcionar oxígeno adicional que ayuda en lograr la combustión completa del combustible en la zona de quemado exterior 9. El oxígeno en el aire de combustión alimentado a través del quemador 3, combinado con el oxígeno contenido en aire alimentado en la abertura 7, si se utiliza , son suficientes para permitir la combustión completa del combustible , y típicamente contienen 1 0 a 25 por ciento en volumen de oxígeno en exceso sobre la cantidad requerida para la combustión completa del combustible.

Preferentemente, el aire de combustión tercia rio y secunda rio se alimenta en el quemador 3 para arremolinarse alrededor de un eje longitudinal, creando sí una zona de recirculación cerca de cada q uemador y mejorando el mezclado de ai re y combustible . La turbulencia puede lograrse por técnicas conocidas, tal como proporcionado deflectores, 1 3 y 14, en los pasajes anu lares para flujo de aire terciario y secundario del quemador que dirigen el flujo de las corrientes en la dirección de turbulencia deseada , . Se prefiere proporcionar un alto grado de turbulencia, preferentemente un número de turbulencia, como se define en "Combustión Aerodynamics"; J . M. Beer and N A. Chigier, Robert E . Krieger Pu blishing Company, Inc. , 1 983, de 0.6 a 2.0. En la práctica de esta invención con aire secundario, se prefiere que la cantidad total de aire alimentado a través del quemador 3, es decir, la su ma de aire primario, secundario y terciario, esté entre 60 y 90% del req uerimiento de aire estequiométrico pa ra combustión completa. Más preferentemente, la cantidad total de aire alimentado a través del quemador 3 en la zona de combustión primaria es aproximadamente 70 a 85% del req uerimiento de aire esteqiométrico para combustión completa. La velocidad de cada corriente de aire de combustión primario, secundario y terciario es preferentemente 5.2 a 45.60 metros por segundo en la salida de la boquilla de la cual sale aire. La velocidad del oxígeno inyectado a través de la lanza 5, en la salida de la boquilla de lia cual sale el oxígeno, está preferentemente dentro de 1 0% a 900%, más preferentemente dentro de 25% a 400% de la velocidad de aire primario. Las pruebas han sugerido que un planteamiento preferido es exponer al menos alguna de las partículas de combustible o gotas a una alta concentración de oxígeno como opuesta a enriquecer uniformemente el aire de -combustión total. El planteamiento simple de inyectar oxígeno en la caja de viento 21 de un quemador bajo en N Ox de manera que el aire enriquecido se alimenta al quemador completo, incluyendo el aire de etapa primaria crítica, no se considera como efectivo. Cuando el oxígeno puro se premezcla o mezcla rápidamente en la corriente de transporte de carbón (la corriente de aire primario) utilizando 20% de aire estequiométrico y la proporción esteq uiométrica de combustión total se mantiene constante a 1 .15 al remover la cantidad esteqiométricamente equivalente de aire de ya sea el aire secundario o terciario (*), las siguientes concentraciones promedio de oxígeno en la corriente de aire de transporte y en el aire de combustión total se calculan, asumiendo que el aire es seco y contiene 21 % 02. (dar |a misma cantidad de 02) En este ejemplo, debido a ia pequeña cantidad de oxígeno utilizado, solamente los incrementos modestos en la concentración de oxígeno de aire se logran cuando se mezclan uniformemente aún cuando el oxígeno se mezcla solamente con el aire de transporte. Un método preferido es inyectar oxígeno en la corriente de transporte de carbón/aire en la punta de la boquilla de la lanza . En este caso algu nas de las partículas de carbón se mezclan con chorros de oxígeno y localmente crean zonas de mezclas de 02 ricas en carbón, tales condiciones pueden proporcionar zonas de fuentes de rápida ignición y facilitar la ignición temprana y devolatilización en comparación con el oxígeno del caso que se premezcla con la corriente de aire de transporte. Otro método preferido es inyectar oxígeno del espacio anular exterior e interior adyacente a la corriente de carbón. En este caso, la condición de combustión rica en oxígeno favorable se proporciona en el límite de las corrientes de oxigeno y carbón . Cuando el oxígeno se inyecta por separado a alta velocidad paralelo a la corriente de combustible, como fue el caso para Farmayan , et al., el(los) chorro(s) de oxígeno pueden diluirse rápidamente con gases circundantes y su efectivid ad puede retardarse . De esta manera, el método de inyección de oxígeno tiene que diseñarse cu idadosamente. La presente invención mejora, es decir, disminuye, la formación de N Ox en el dispositivo de combustión al alimentar oxígeno en la corriente de combustible de hidrocarburo entrante como se describe en la presente. Más específicamente y preferentemente, el oxígeno se alimenta como una corriente de oxígeno concentrada que comprende preferentemente al menos 50% en vol. de 02, más preferentemente al menos 80% en vol. de 02, más preferentemente al menos 90% en vol de 02, y se alimenta directamente en el combustible de hidrocarburo a medida que sale del quemador y entra al interior 2 del dispositivo de combustión 1 . De esta manera, al menos algunas de las partículas de combustible sólido, o las gotas de combustible líquido, como sea el caso, entran al dispositivo de combustión y la zona rica en combustible de la flama 6, en una atmósfera acuosa que contiene una alta concentración de oxígeno. Cuando aire secundario se utiliza para clasificación de combustión global, preferentemente con quemadores de aire equipados con tres o cuatro pasajes de aire separados, el oxígeno puede mezclarse con el aire primario secundario o ambos, utilizando rociadores adecuados dentro de los pasajes en el quemador 3. El oxígeno se alimenta preferentemente a través de un lanza 5 o línea de alimentación similar que puede abrirse en el extremo que se abre en el dispositivo de combustión 1 , o que se cierra al final y tiene dos o más aberturas en su periferia adyacente que el extremo cerrado, de manera que el oxígeno fluye hacia fuera a través de dichas aberturas directamente en el combustible de hidrocarburo que entra al dispositivo de combustión del quemador. Refiriéndose a las figuras 7A y 7C. un horno tangencialmente encendido 1 comprende un conjunto de puertos para inyectar combustible, y puertos para inyectar aire de combustión, en el interior del horno, típicamente, los puertos de combustible y los puertos de aire de combustión se ordenan en una fila vertical, alternando entre sí, como se ¡lustra en las figuras 7A y 7C en donde los puertos 31 para inyectar combustible alternan con puertos 32 para inyectar aire de combustión. El combustible se quema en el interior del horno con el aire de combustión. El horno también se equipa con puertos de aire secundario 7. La presente invención se adapta fácilmente a hornos que tienen este tipo de construcción, por ejemplo, al proporcionar una lanza 5 en uno o más de los puertos de combustible y después alimentar oxidante en las cantidades requeridas como se enseña en la presente en el combustible a medida que emerge del quemador. Las lanzas de oxígeno 5 también pueden colocarse en uno o más de los puertos de entrada de combustión o fuera de los puertos de combustible y aire, y oxígeno se inyecta de la(s) lanza(s) hacia la corriente de combustible adyacente. Las figuras 3a a 3d muestran varias configuraciones de lanza que pueden emplearse. Otras configuraciones de lanza pueden utilizarse. En la figura 3a, la laza 25 termina con un orificio único 31 ¡que se orienta preferentemente a Jo largo del eje de la lanza. En la figura 3b, el extremo de la lanza 5 se cierra y dos o imás, preferentemente dos a dieciséis, más preferentemente cuatro a ocho boquillas 32 a lo largo del perímetro de la lanza cerca del extremo caliente de la lanza se proporcionan para inyección de oxígeno radial. Más de una fila de boquillas radiales también puede proporcionarse a lo largo del perímetro de la lanza cerca del extremo caliente. Una a cuatro o más boquillas pueden también proporcionarse al final de esta lanza . En la figura 3c, dos o más y preferentemente dos a dieciséis, más preferentemente cuatro a ocho boquillas 32 ' se proporcionan radialmente cerca del extremo aguas abajo cerrado de la lanza 5, y dos o más, preferentemente dos a dieciséis, preferentemente cuatro a ocho boquillas 33 se proporciona, cada una de las cuales forma un ángulo mayor a 0 grados y menor a 90 grados al eje de la dirección de flujo de oxígeno en la lanza 5. En la figura 3d, dos o más y preferentemente dos a ocho boquillas 34 se proporcionan a lo largo del perímetro de la lanza 5 cerca del extremo caliente de la lanza 5, cada una de las cuales forma un ángulo de 30 a 90 grados, preferentemente un ángulo de 30 a 60 grados, con respecto a la inversa de la dirección de flujo de oxígeno en la lanza 5. En estas y otras modalidades de lanza las boquillas a través del lado de la lanza pueden ordenarse en una o más de una circunferencia. El ángulo óptimo de ¡inyección de oxígeno para control de NOx depende del momento radial y tangencial del aire circundante, ila geometría del puerto de quemador y !la naturaleza del patrón de flujo de aire de quemador cerca de la lanza de oxígeno. De acuerdo con lo anterior, mejores ¡resultados en quemadores que tienen momento de aire radial, el ángulo óptimo es 90° o mayor del eje del quemador, mientras que el obtener mejores resultados en quemadores que tienen momento radial más alto requerirá generalmente que el ángulo se reduzca para evitar el mezclado del oxígeno con la corriente de aire. Con flujo de aire altamente radial, el ángulo óptimo es 15° o menos (inyección grandemente axial). Para aquellos quemadores que * utilizan técnicas que crean un componente de flujo de aire fuerte en la dirección radial, tal como turbulencia alta con u puerto quemador divergente poco profundo o deflectores de aire, boquillas de oxígeno que se angulan principalmente en la dirección axial (ángulo menor a 30° del eje) son óptimas. Para quemadores en los cuales el flujo de aire es predominantemente axial (es decir, el componente radial del flujo de aire es pequeño o no existente) se prefiere inyectar el oxígeno en la dirección radial (ángulos entre 45° y 135° del componente de flujo axial) . Cuando el oxígeno se inyecta en el dispositivo de combustión 1 como se describe en la presente, la velocidad de flujo del aire de combustión alimentado a través del quemador 3 se reduce simultáneamente para mantener o reducir la proporción estequiométrica de la zona de combustión primaria. Cuando se utiliza el aire secundario, la proporción estequiométrica de la zona de combustión primaria con ¡inyección de oxígeno es preferentemente entre 60 y 99%, más preferentemente entre 60 a 85%, más preferentemente entre 70 a 85%, del requerimiento de aire estequiométrico para combustión completa. La cantidad de oxígeno - -alimentado en esta manera debe ser suficiente para establecer una proporción estequiometrica en la zona rica en combustible 8 de la flama 6 que es menor a aproximadamente 0.85 y es preferentemente mucho menor a 0.85, por ejemplo, 0.65 o menos. La cantidad de oxígeno alimentado a través de la línea 5 debe ser menor al 20% de la cantidad esteqiométrica requerida para la combustión completa del combustible. Preferentemente, la cantidad corresponde a menos del 1 5% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa del combustible. Más preferentemente, la cantidad corresponde menos del 10% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa del combustible. Más preferentemente, I cantidad corresponde a menos del 5% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa del combustible. Contrario a la presente invención, la Patente de EE. U U . No. 4,495,874 describe NO incrementado con 2% de enriquecimiento de oxígeno, la cual se define en esa patente, es equivalente a aproximadamente 1 3% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa del combustible. También se describe NO agudamente reducido a enriquecimientos más altos (4% de enriquecimiento, la cual se define en la patente, es equivalente a aproximadamente 23% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa del combustible. La patente claramente no anticipa ¡los descubrimientos de la presente invención de que una cantidad pequeña de oxígeno, es decir, menor a 20% de la cantidad estequiométrica requerida para la combustión completa ¡del combustible, puede reducir inesperadamente ias emisiones de NOx cuando el oxígeno o aire enriquecido de oxígeno se inyecta en la zona rica en combustible de la zona de combustión primaria. La emisión de NOx fuertemente depende de las condiciones estequiométricas locales. A medida que la inyección de oxígeno hace . a. la condición estequiométrica local más magra, uno tiene que considerar el cambio en las condiciones estequiométricas locales después de la inyección de oxígeno. Por ejemplo, la inyección de oxígeno, equivalente a 10% del aire estequiométrico, en una zona rica en combustible localmente a una proporción estequiométrica de 0.4 (SR=0.4), sin cambiar la velocidad de flujo de aire de combustión que se alimenta, alteraría las condiciones estequiométricas locales a SR=0.5 y esperaría reducir las emisiones de NOx substancialmente. Sin embargo, esto se debe a que SR=0.4 es demasiad rica en combustible para reducción de NOx óptima. Tal efecto es mucho mayor que aquel del "reemplazar 1 0% de aire con oxígeno" aunque mantiene la condición estequiométrica local constante a SR=0.4. Si la misma cantidad de oxígeno se inyecta en la zona de combustión rica en combustible, sin cambiar la velocidad de flujo del aire de combustión, donde la condición esteqiométrica ¡local es SR=0.95, la emisión de INOx se espera que aumente agudamente a -medida que la condición estequiométrica local se incrementa a SR=1 .05. !De esta manera , generalmente se prefiere inyectar (oxígeno en el área ¡más rica de ¡la flama. (En ¡un dispositivo de combustión utilizando quemadores aerodinámicamente en etapas, la proporción estequiométrica en la zona rica en combustible de la flama con inyección de oxígeno está entre 0.1 y 0.85, preferentemente entre 0.4 y 0.75. La inyección o mezclado de oxígeno en el aire terciario y cuaternario, si se utiliza, ' debe -utilizarse en un quemador aerodinámicamente en etapas sin OFA. Este se debe que el aire terciario y cuaternario se mezcla en el área relativamente magra de una flama. Si el quemador bajo en NOx tiene solamente aire primario y secundario, inyección o mezclado de oxígeno en el aire secundario debe evitarse. En teoría, la optimización de condición esteqiométrica local puede hacerse con cualquier oxidante incluyendo aire. Sin embargo, el oxígeno es más efectivo debido a que solamente un volumen pequeño se requiere y condición estequiométrica local puede cambiarse sin un gran impacto en las condiciones de mezclado aerodinámico total de la flama. Otro requerimiento importante es que el enriquecimiento de oxígeno tiene que hacerse en tal manera para conservar o aumentar el tamaño físico de la zona rica en combustible (la "zona de formación de N2"). El método de inyección de oxígeno y la reducción consecuente de flujos de aire en ciertos ¡pasajes de aire de un quemador, influenciará las condiciones de clasificación aerodinámicas del quemador, y ¡por lo tanto, el tamaño físico y las condiciones ¡estequiométricas locales. Si el tamaño de la zona ¡rica en combustible se reduce y el tiempo de ¡residencia de gas promedio en lia zona rica en combustible se reduce como un resultado de inyección de oxígeno, tal cambio causaría incrementos de NOx. Por ejemplo, la inyección de alta velocidad de oxígeno a través de una lanza axial tal como la mostrada en la figura 3a incrementaría efectivamente el momento axial de la corriente de aire/carbón circundante, que a su vez puede mejorar el mezclado con aire secundario o terciario. ' Como un resultado el tamaño de la zona de reducción de NOx rica en combustible de la flama puede reducirse y NOx puede aumentar. Por el otro lado cuando el flujo de oxígeno se inyecta radialmente de una lanza de oxígeno axialmente localizada tal como la mostrada en la figura 3b cerca de la punta del quemador, puede incrementar efectivamente la zona de recirculación cerca del quemador y por lo tanto incrementar el tamaño de la zona rica en combustible y promover además reducción de NOx por enriquecimiento de oxígeno. Los impactos complejos de inyección de oxígeno en las condiciones aerodinámicas del quemador se han evaluado cuidadosamente para que un quemador específico logra la reducción de NOx. Sin proponer limitarse por cualquier explicación particular del desempeño inesperado de esta invención, el desempeño del dispositivo de combustión operado de acuerdo con esta invención es consistente con un mecanismo en el cual el oxígeno inyectado causa un incremento en la temperatura de esa porción de la flama próxima al quemador, que a su vez causa que los componentes relativamente volátiles presentes en el combustible de hidrocarburo para entrar a la fase de gas del combustible y experimentar la reacción parcial con el oxígeno ambiental, creando así una atmósfera relativamente reducida que permite que las especies que contienen nitrógeno se liberen del combustible quemado para convertirse en nitrógeno molecular, es decir, N2, en lugar de convertirse a NOx y otros compuestos de nitrógeno tales como HCN y NH3. . - Típicamente, - la temperatura de la zona rica en combustible a la cual el combustible y el oxígeno entra es del orden de 1 372°C o más. La alimentación del oxígeno en esta manera puede causar que la base de la flama 6 se emita cerca de la abertura del quemador 3, o aún se una al quemador 3. Sin embargo, la alimentación del oxígeno en la manera descrita en la presente en el combustible de hidrocarburo a medida que sale del quemador, procede en la misma manera aún si la flama se une al quemador. En la operación en estado fijo, por ejemplo después de que un dispositivo de combustión se ha retroajustado de acuerdo con las enseñanzas en la presente, la operación del dispositivo de combustión continua en la base de que menos del 20%, preferentemente menos del 15%, más preferentemente menos del 10%, más preferentemente menos del 5%, de la cantidad estequiométrica de oxígeno requerido para la combustión completa del combustible se alimenta en el combustible, ¡mientras que el aire de combustión se alimenta a través del quemador en una cantidad menor a ¡lo que de otra manera sería el caso, de manera que la cantidad total de oxígeno alimentado en el dispositivo es al ¡menos la cantidad estequiométrica necesaria para la combustión completa del combustible.

La operación de un dispositivo de combustión, quemado por combustible líquido de hidrocarburo o combustible de hidrocarburo sólido pulverizado, de acuerdo con las enseñanzas en la presente, se ha encontrado que produce reducción significativa y sorprendente en el dispositivo de combustión. Ejemplo 1 . „ . . ¦- ¦ El oxígeno se mezcla en el aire de combustión suministrado a la primer etapa de un horno experimental a baja flama autónomo térmico de 1 7 IW con diámetro interno de 15.24 centímetros. El aire de combustión enriquecido con oxígeno se alimenta a una quemador de carbón-aire pulverizado sin turbulencia , premezclado. El carbón butiminoso altamente volátil A (Illinois No. 6) se utiliza. El oxígeno se alimenta a una velocidad para reemplazar 20% en volumen del aire de combustión, en una base equivalente de oxigeno, suministrada a la zona de combustión primaria (PCZ). Esto fue equivalente a 1 0 a 20% del requerimiento de aire estequiométrico. "Aire secundario" se inyecta en el horno aproximadamente 2.44 metros aguas debajo de la parte frontal del horno, que proporciona tiempo de residencia de gas de aproximadamente 1 segundo en PCZ. Suficiente aire secundario se inyecta para mantener la proporción estequiométrica total de aproximadamente 1 .2. Aunque lia temperatura del punto de inyección de aire secundario varía de acuerdo a la proporción de estequiométrica de la zona de combustión primaria, se mantiene como constante entre los casos enriquecidos con oxígeno y aire ¡(línea ¡base). Como puede verse a partir de ila figura 4, la adición de cantidades pequeñas de oxígeno redujo la emisión de óxidos de nitrógeno cuando la primer etapa se opera a por debajo de la proporción estequiométrica de aproximadamente 0.9. Ejemplo 2 Un quemador de carbón-aire bajo en NOx se enciende a aproximadamente 4 MMBtu/hr en un horno de prueba forrado/ refractario con dimensiones internas de aproximadamente 1 .09 metros de ancho por 1 .09 metros de alto y 1 2.50 metros de largo. Un par de puertos de aire secundario se ubican a aproximadamente 3.20 metros de la salida del quemador. El quemador es similar a uno mostrado en la figura 2 y consiste de un pasaje redondo central y varios pasajes anulares para corrientes de carbón, aire, oxígeno y gas natural. El pasaje central se utiliza ya sea para insertar una lanza de oxígeno de 3.81 centímetros ID y 4.83 centímetros OD o bloquearse para proporcionar un cuerpo aparente para aumentar la recirculación de gas para estabilidad de la flama . El aire primario y carbón se inyectan del primer pasaje anular de 7.8 centímetros OD y 4.83 centímetros ID. El segundo pasaje anular (10.22 centímetros OD y 8.9 centímetros ID) se utiliza para inyectar ya sea oxígeno o gas natural. Los pasajes anulares tercero (1 5.41 centímetros OD y 1 1 .43 centímetros ID) y el cuarto 20.27 centímetros OD y 6.83 centímetros) se utilizaron para flujos de aire, secundario y terciario, y se equipan con generadores de turbulencia variables para impartir flujos de turbulencia. El quemador se diseña ¡para proporcionar una condición de combustión aerodinámicamente en etapas. Las velocidades axiales del aire primario y aire secundario son similares para proporcionar un mezclado lento del aire secundario con la corriente de carbón. El aire terciario tiene una velocidad significativamente más alta que aquella del aire secundario. De esta manera , el aire secundario proporciona un "regulador" para mezclar entre el aire terciario- y la corriente de carbón . Una zona de combustión rica en combustible relativamente grande se crea a lo largo del eje del quemador con mezclado relativamente gradual de aire secundario y terciario a lo largo de la longitud del horno. La figura 5 muestra los resultados de las emisiones de NOx medidas bajo diferentes métodos de inyección de oxígeno. El oxigeno puro se inyecta a través de una lanza cilindrica ubicada en el eje del quemador. Los diferentes diseños de boquilla se utilizan para inyectar oxígeno y mezclar con la corriente de carbón anular adyacente. La cantidad de oxígeno inyectado varió de 5 a 1 5% del oxígeno estequiométrico. Cuando el oxígeno se inyecta, la cantidad esteqiométricamente equivalente de aire se toma fuera de las corrientes de aire terciaria y secundaria para mantener la misma zona de combustión primaria y la proporción estequiométrica de combustión total (fija a SR=1 .15). La velocidad de flujo de aire primaria se mantiene constante a aproximadamente SR=0.15. (El aire secundario para clasificación de combustión global se inyecta perpendicular al eje del horno de dos boquillas de aire directamente opuestas. Debajo de la zona de combustión primaria SR (la proporción estequiométrica de la zona de combustión primaria) de aproximadamente 0.80, reducción significativa de NOx, en comparación con la línea de aire base, se obtiene sin considerar el tipo de boquillas de oxígeno utilizadas. En un quemador más alto las emisiones de NOX de SR fueron más altas cuando una boquilla de ángulo inverso, que tiene ocho agujeros de .635 centímetros de diámetro como se muestran en la figura" 3d (también referido en la presente como boquilla tipo B) se utiliza y aproximadamente la misma o inferior con una boquilla del tipo mostrado en la figura 3c, que tiene ocho agujeros radiales de .635 centímetros de diámetro y cuatro agujeros de ángulo delantero de .635 centímetros de diámetro (también referida en la presente como boquilla tipo A), dependiendo de la cantidad de oxígeno inyectado. Los resultados observados pueden explicarse en términos de los cambios causados por la inyección de oxígeno e n las condiciones en etapas aerodinámicas del quemador, es decir, el tamaño físico de la zona rica en combustible y las condiciones estequiométricas locales. Cuando la zona de combustión primaria se clasifica profundamente (SR menor a 0.8), un gran volumen del espacio de horno entre el quemador y el punto de inyección de aire de clasificación se mantiene rico en combustible. Aunque la inyección de oxígeno y reducción de flujos de aire secundario y «terciario cambiará las condiciones estequiométricas locales cerca del quemador (y ya sea incrementa o reduce el volumen de la zona rica en combustible cerca del quemador), el volumen de la zona de combustión primaria permanece como Tica en combustible. El efecto principal de oxígeno es incrementar la temperatura y acelerar las cinéticas de reducción de NOx en la mayoría de la zona de combustión primaria. Ya que el volu men de la zona rica en combustible grande se cambia poco, la reducción de NOx significativa se logra relativamente independiente del tipo de boquilla de oxígeno. . Ya que la cantidad del aire secundario se reduce, el ' tamaño de la zona rica en combustible se reduce progresivamente . En un quemador SR= 1 . 15, se utiliza aire sin clasificar y la zona rica en combustible se crea solamente por clasificación aerodinámica del quemador. La inyección de oxígeno afectaría el patrón de mezclado de flujos de aire secu ndario y terciario con la corriente de carbón y el tamaño de la zona rica en combustible podría cambiar significativamente. Si el tamaño de la zona rica en combustible se reduce y el tiempo de residencia de gas promedio en la zona rica en combustible se reduce como un resultado de inyección de oxígeno, tal como un resultado de inyección de oxígeno, tal cambio causaría incrementos de NOx. Las emisiones de NOx en SR= 1 .15, es decir, sin aire de clasificación, fueron muy sensibles para los tipos de boquillas de 02 y la cantidad de oxígeno utilizado. Los estudios CFD mostraron las siguientes condiciones de mezcla con una boquilla mostrada en la figura 3b con ocho agujeros radiales de .635 centímetros. Los ¡chorros de oxígeno radiales penetran en la corriente de carbón an ular tpara una distancia corta y se mezclan rápidamente con la corriente de carbón circundante. La corriente de carbón anular parcialmente fluye entre los "dedos" de chorros de oxígeno y parcialmente se expande radialmente. Como un resultado, el diámetro de la zona de recirculación cerca del quemador se incrementa, causando que el tamaño de la zona rica en combustible se expanda. Con una boquilla de 02 tipo B el ángulo aguas arriba de los chorros de oxígeno se cree- que ha causado mezclado significativo de la corriente de carbón primaria y la terciaria, resultando en incremento de NOx. En general, el flujo de 02 más alto de boquillas radiales anguladas o radiales incrementa la velocidad de chorro de oxígeno y causa más mezclado. De esta manera, el tamaño y ángulo de boquillas de oxígeno tiene que diseñarse cuidadosamente para mezclar rápidamente oxígeno en la corriente de carbón , aún sin causar demasiado mezclado entre el aire terciario y la corriente de carbón . Ejemplo 3 Un quemador de carbón-aire bajo en NOx comercial, el quemador RSFC™ descrito en la Patente de EE.UU. 5,960,724, se enciende a aproximadamente 24 MMBtu/hr en un horno de prueba forrado, refractario con dimensiones internas de aproximadamente 2.29 metros de ancho y 2.29 metros de alto y 10.6 metros de largo. Uno o dos pares opuestos de puertos de aire secundario se ubican a aproximadamente 7.92 metros desde la salida del quemador. El quemador consiste de un pasaje redondo central y varios pasajes anulares para corrientes de carbón, aire, oxígeno. El pasaje central se utiliza para insertar una l nza de oxígeno de 3.81 centímetros ID y 4.83 centímetros OD. El carbón y aire secundario se inyectan del primer pasaje anular. Los pasajes anulares segundo, tercero y cuarto se utilizan para flujos de aire secundario, terciario y cuaternario y se equipan con generadores de turbulencia variables para impartir fuerzas de turbulencia. El quemador se diseña para proporcionar una condición de combustión aerodinámicamente-en etapas: Una zona de combustión rica en combustible relativamente grande se crea a lo largo del eje del quemador con mezclado relativamente gradual de aire terciario y cuaternario a lo largo de la longitud del horno. El oxígeno se inyecta a través de una lanza redonda ubicada en el eje del quemador. El diseño de boquilla similar al mostrado en la figura 3c, que tiene ocho agujeros radiales de 0.95 centímetros y cuatro agujeros axialmente orientados de 0.95 centímetros se utiliza para inyectar oxígeno y mezclar con la corriente de carbón anular, adyacente. La cantidad de oxígeno inyectada varía de 5 a 1 5% del oxígeno estequoiométrico. Cuando e| oxígeno se inyecta, la cantidad estequiométricamente equivalente de aire se quita de las corrientes de aire secundario, terciario y cuaternario para mantener la misma zona de combustión primaria (SR=0.75) y proporción estequiométrica de combustión total (SR= 1 .15). La velocidad de flujo de aire primaria se mantiene constante a aproximadamente SR=0.20. El aire secundario para clasificación de combustión total se inyecta perpendicular al eje del horno de dos a cuatro puertos de aire directamente opuestos. Los establecimientos de alabes de turbulencia ajustables para flujos de aire secundario, terciario y cuaternario se optimizan para dar emisiones más bajas en NOx para aire solamente para el quemado y los mismos establecimientos se utilizan cuando el oxígeno se inyecta. La figura 6 muestra los resultados de emisiones de NOx como una función de inyección de oxígeno, medidos bajo tres diferentes periodos de prueba. Aunque las emisiones de NOx de línea ¡base con aire variaron dependiendo de los periodos de prueba, las reducciones de NOx significativas se logran por la presente invención . Aunque la presente invención se ha descrito con referencia principal a los hervidores encendidos de pared tal como el tipo ilustrado en las figuras 1 y 2, esta descripción no se propone sugerir que la invención se limita en aplicación a ese tipo de sistema de combustión. La invención es aplicable a otros sistemas en donde el combustible y el aire se queman, incluyendo sin limitación los sistemas tangencialmente encendidos del tipo descrito con respecto a las figuras 7A-7C, y los sistemas de combustión se conocen en la materia como hornos de "ciclón", en donde la zona de combustión primaria del homo incluye uno o más anexos cada uno teniendo una pared cilindrica, una pared de extremo cerrado, y un extremo abierto que se abre en la cámara principal del horno a través de una pared del homo, en donde el combustible, aire de combustión y oxidante (alimentado en las cantidades como se enseña en la presente en el combustible) se alimentan a través de la pared cilindrica y la pared final en el anexo en una dirección de manera que giran alrededor del eje central de rotación del anexo y se queman para formar una flama y calor de combustión, que se emiten a través del extremo abierto hacia la cámara principal del horno. Otros tipos de quemadores pueden emplearse además de aquellos ejemplificados en la presente, tales como los así llamados quemadores de corriente-partida en donde la corriente de combustible se. parte hacia una pluralidad de corrientes separadas entre sí, y aún divergiendo entre sí, a medida que el combustible entra a la cámara de combustión . Con este tipo de quemador, el oxígeno se alimenta de una pluralidad de lanzas correspondiente en cada corriente de combustible, o de una lanza con una pluralidad de boquillas orientadas hacia cada corriente de combustible, y los requerimientos estequiométricos de oxígeno se basan en las cantidades totales de combustible y oxígeno que se alimentan.

Claims (25)

1. REIVINDICACIONES 1 . Un método de combustión que reduce la cantidad de NOx emitido que comprende : proporcionar un dispositivo de combustión (1 ) que tiene una zona de combustión primaria (1 0) y una zona de quemado exterior (9) ; - alimentar aire, y combustible no acuoso que contiene n itrógeno quemado y se selecciona del g ru po que consiste de l íquido de hidrocarburo atomizado y sólidos de hidrocarburo pulverizados, a través de un quemador (3) hacia d icha zona de combustión primaria (1 0) ; y q uemar el combustible en una flama (6) en la zona de combustión primaria (10) que tiene una zona rica en combustible (8), mientras se alimenta el oxígeno en dicho combustible al inyectarlo directamente en dicho combustible en dicha zona de combustión primaria ( 1 0) a medida que dicho combustible emerge de dicho quemador (3) o al ag regarlo al aire que se alimenta a través de dicho quemador (3), de manera que el oxígeno se quema con dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8), en una cantidad de dicho oxígeno que es menor a 20% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa de dicho combustible , y ajustar ía cantidad de aire alimentado a través de dicho quemador (3) de manera que la proporción estequiométrica en dicha zona de combustión primaria ( 0) es entre 0.6 y 0.99, y agregar aire en dicha zona de quemado exterior (9) de una fuente (7) diferente a dicho quemador (3) en una cantidad que contiene suficiente oxígeno que la cantidad total de oxígeno alimentado en dicho dispositivo (1 ) es al menos la cantidad estequiométrica necesaria para completar la combustión de dicho combustible, y quemar combustibles residuales de dicha zona de combustión primaria (10) en dicha zona de quemado exterior (9) .
2. 2. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque una corriente de combustible se alimenta a través de dicho quemador (3) y oxígeno se alimenta en dicho combustible al inyectarlo a través de una lanza hueca (5), colocada en dicha corriente, en el combustible a medida que el combustible sale del quemador (3).
3. 3. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque la corriente de combustible se alimenta a través de un pasaje de combustible anular (4) de dicho quemador (3), y oxígeno se alimenta en dicho combustible al inyectarlo a través de un pasaje anular que rodea (1 5) o rodeado por (5) dicho pasaje de combustible anular (4).
4. 4. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta directamente en dicho combustible a través de una ¡lanza (5) teniendo al menos ¡un orificio (31 ) en el extremo de la ¡lanza (5), que se orienta a ¡lo largo del eje de la lanza <5). '
5. 5. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta directamente en dicho combustible a través de una lanza (5) que tiene un extremo cerrado y al menos dos boq uillas (32) a lo largo del perímetro de la lanza (5) cerca del extremo de la lanza (5) para inyección de oxígeno radial.
6. 6. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta directamente en dicho combustible a través de una lanza (5) que tiene un extremo cerrado , al menos dos boquillas (32) proporcionadas radialmente cerca del extremo cerrado, y al menos dos boquillas (34) cada una de las cuales forma un ángulo mayor a 0 grados y menor a 90 grados al eje de la dirección de flujo de oxígeno en la lanza.
7. 7. U n método según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta d irectamente en d icho combustible a través de una lanza (5) teniendo un extremo cerrado y teniendo al menos dos boquillas (34) proporcionadas a lo largo del perímetro de la lanza (5) cerca del extremo cerrado de la lanza (5), cada una de las cuales forma u n ángulo de 30 a 90 grados con respecto a la inversa de la dirección de flujo de oxígeno en la lanza (5).
8. 8. Un método seg ún la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho combustible se alimenta a través de dicho quemador (3) con aire a una velocidad de 1 5.2 a 45.60 metros por segundo, y oxígeno se inyecta en dicho combustible a una velocidad de 25% a 400% de la velocidad de dicho aire.
9. 9. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porq ue cualquier aire secundario y te rciario alimentado a través de dicho quemador tiene un n úmero de turbulencia de 0.6 a 2.0.
10. 10. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque la proporción estequiométrica en dicha zona rica en combustible (8) es entre 0. 1 y 0.75. 1 1 . Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque la proporción estequiométrica en dicha zona de combustión primaria (10) es entre 0.7 y 0.85. * 12. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque la cantidad de dicho oxígeno alimentado en dicho combustible es menor a 10% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa de dicho combustible. 13. Un método según la reivindicación 1 , caracterizado porque la cantidad de aire alimentado a través de dicho quemador (3) se reduce por una cantidad que contiene suficiente oxígeno que la zona proporción estequiométrica de la zona de combustión primaria varía por no más de 10% en comparación con la proporción estequiométrica sin dicha adición de oxígeno. 14. Un método de combustión que reduce la cantidad de NOx emitido, que comprende: proporcionar un dispositivo de combustión (1 ); alimentar aire, y combustible no acuoso que contiene nitrógeno quemado y se selecciona del grupo que consiste de líquido de hidrocarburo atomizado y sólidos de idrocarburo pulverizados, a través de un quemador aerodinámicamente en etapas (3) hacia dicho dispositivo; y quemar dicho combustible en una flama ¡(6) que contiene una zona rica en combustible (8), mientras alimentar el oxígeno en dicho combustible al inyectarlo directamente en dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8) a medida que dicho combustible emerge de dicho quemador (3) o al agregarlo al aire que se alimenta a través de dicho quemador (3), de manera q ue el oxígeno se quema con dicho combustible en dicha zona rica en combustible (8) , en una cantidad de dicho oxígeno que es menor a 20% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa de dicho combustible , y ajustar la cantidad de aire alimentado a través de dicho quemador (3) de manera que la proporción estequiométrica en dicha zona rica en combustible (8) es entre 0. 1 y 0.85 , m ientras mantiene o alarga el tamaño de dicha zona rica en com bu stible (8) en comparación con su tamaño cuando la combustión se lleva a cabo en dicho dispositivo de combustión (1 ) sin dicho paso de alimentación de oxígeno pero bajo condiciones de otra manera idénticas. 1 5. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque una corriente de combustible se alimenta a través de dicho quemador (3) y el oxígeno se alimenta en d icho combustible al inyectarlo a través de u na ¡lanza h ueca (5), colocada en dicha corriente , hacia el combustible a medida que el combustible sa le del quemador (3). 16. Un método según la reivindicación 14, caracterizado ¡porque una corriente de combustible se alimenta a través de un pasaje de combustible anular (4) de dicho quemador (3), y el oxígeno se alimenta en dicho combustible al inyectarlo a través de un pasaje anular que rodea (1 5) o rodeado por (5) dicho pasaje de combustible anular (4). 17. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque dicho oxigenó le inyecta directamente en dicho combustible a través de una lanza (5) teniendo al menos un orificio (31 ) en el extremo de la lanza (5), que se orienta a lo largo del eje de la lanza (5). 18. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta directamente en dicho combustible a través de una lanza (5) que tiene un extremo cerrado y al menos dos boquillas (32) a lo largo del perímetro de la lanza (5) cerca del extremo de la lanza (5) para inyección de oxígeno radial. 1 9. Un método, según la reivindicación 14, caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta directamente en dicho combustible a través de una lanza (5) que tiene un extremo cerrado, al menos dos boquillas (32) proporcionadas radialmente cerca del extremo cerrado, y al menos dos boquillas (34) cada una de las cuales forma un ángulo mayor a 0 grados y menor a 90 grados al eje de la dirección de flujo de oxígeno en la lanza (5). 20. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque dicho oxígeno se inyecta directamente en dicho combustible a través de una lanza (5) teniendo un extremo cerrado y teniendo al menos dos boquillas (34) proporcionadas a lo ¡largo del perímetro de la lanza (5) cerca del extremo cerrado de la lanza (5), cada una de las cuales forma un ángulo de 30 a 90 grados con respecto a la inversa de la dirección de flujo de oxígeno en la lanza (5). 21 . Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque dicho combustible se alimenta a través de dicho quemador (3) con aire a una velocidad de 1 5.2 a 45.60 metroY por segundo, y oxígeno se inyecta en dicho combustible a una velocidad de 25% a 400% de la velocidad de dicho aire . 22. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque cualquier aire secundario y terciario alimentado a través de dicho quemador tiene un número de turbulencia de 0.6 a 2.0. 23. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque la proporción estequiométrica en dicha zona de combustión rica en combustible (8) es entre 0.4 y 0.75. 24. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque la cantidad de dicho oxígeno alimentado en dicho combustible es menor a 10% de la cantidad estequiométrica requerida para combustión completa de dicho combustible. 25. Un método según la reivindicación 14, caracterizado porque la cantidad de aire alimentado a través de dicho quemador (3) se reduce ¡por una cantidad ¡que contiene suficiente oxígeno que la zona proporción estequiométrica de la zona de combustión primaria varía por no más de 10% en comparación con lia proporción (estequiométrica sin dicha adición de oxígeno .