ES1306116U - Horno de oxicombustión para fritas y esmaltes - Google Patents

Abstract

Horno de oxicombustión de fusión de fritas y esmaltes, que partiendo de la estructuración convencional de un horno para la fusión de fritas cerámicas, en el que participa una tolva de recepción (1.1) de la materia a fundir, que alimenta al horno a través de un sinfín de alimentación (1.2), concretamente a través de una boca de carga (1.3), y que incluye una cámara de combustión (1.4) con un orificio que comunica con una chimenea de salida de ladrillos refractarios (1.5) como canal de evacuación de gases, que termina con una chimenea de salida metálica (1.6) mientras que inferiormente se establece una solera (1.7), contando el cuerpo del horno con un quemador y una piquera de salida (1.8) inferior para salida del material fundido, se caracteriza por que entre la salida de ladrillos refractarios (1.5) y la chimenea de salida metálica (1.6) se establece un recuperador de calor de humos (2.2), en el que se define un circuito de salida de los humos de combustión y un circuito de recirculación y calentamiento de aire forzado por un ventilador de impulsión de aire portador de calor (2.1), que se conecta en serie con un intercambiador de oxígeno (2.3) y un intercambiador de gas (2.4) determinantes de respectivos medios de calentamiento del oxígeno en funciones de comburente y combustible que alimentan el quemador de oxicombustión (2.6) del horno hasta unas temperaturas del orden de 800ºC para el oxígeno y 500ºC para el gas natural, hidrógeno o combustible o mezcla de los mismos utilizado.

Description

DESCRIPCIÓN

Horno de oxicombustión para fritas y esmaltes

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se sitúa en el sector de fritas cerámicas y dentro de este sector más concretamente en el de los hornos de fusión con tecnología de oxicombustión que actualmente utilizan oxígeno para reaccionar con un combustible gaseoso como gas natural y más recientemente hidrogeno.

La presente invención se refiere a un horno con un nuevo sistema de precalentamiento de gas y oxigeno que aumenta la eficiencia energética del mismo. Se basa en el aprovechamiento del calor latente de los humos de escape del horno para calentar el combustible y el comburente, y de esta forma aumentar la temperatura de llama adiabática de unos 3100°C a unos 3250°C aproximadamente, mejorando la transferencia energética al baño de frita fundida por el fenómeno de radiación.

El horno de la invención incluye un sistema de recuperación de calor que se instala en la chimenea del horno de oxicombustión para producir las reacciones de fusión necesarias en el proceso.

El objeto de la invención es reducir el consumo de combustible y comburente reduciendo también las emisiones de carbono que se producen durante las reacciones de combustión de los hidrocarburos empleados hasta ahora. Para ello se precalienta una corriente de aire mediante un intercambiador de calor por radiación del tipo doble camisa y en contracorriente, instalado en la salida del horno para aprovechar el calor residual de los humos. Posteriormente se utiliza esta corriente de aire precalentada hasta unos 850°C para calentar el oxígeno hasta unos 800°C y el gas natural o hidrógeno hasta unos 500°C mediante, al menos, un intercambiador de coraza y tubos dispuestos en contracorriente.

Una vez precalentados el gas y el oxígeno estos se introducen en el quemador, para que se produzca la reacción de oxidación en el interior del horno de tal forma que, al disponer de esta energía adicional, el aporte energético necesario por parte del combustible es menor y teniendo en cuenta que se optimiza la transferencia del calor al baño por el fenómeno de radiación, el consumo llega a reducirse hasta un 22% aproximadamente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Teniendo en cuenta la situación actual en la cual se persigue la reducción del uso de combustibles de efecto invernadero, es de vital importancia la optimización energética de los hornos que utilizan gas natural como combustible, e incluso de hidrogeno, ya que este último no siempre proviene de fuentes completamente renovables. Además, se obtiene una mejora en los costes productivos, una menor dependencia de los combustibles y, por tanto, una mejora en la competitividad de las empresas que adopten esta tecnología.

Actualmente ya son conocidos los hornos con tecnología de oxicombustión para fundir fritas y esmaltes cerámicos, también es conocida la tecnología de recuperación de calor de los hornos de aire-gas para precalentar el aire que se utiliza como comburente hasta unos 850°C.

También es conocido, ya en menor magnitud, el precalentamiento del combustible gaseoso y del comburente en hornos de oxicombustión de producción de vidrio para la optimización del consumo de gas y oxígeno.

La novedad de esta invención es la adaptación de la tecnología de precalentamiento de combustibles gaseosos, ya sea gas natural (o asimilable), hidrógeno o cualquier mezcla entre ellos y su correspondiente oxigeno como comburente, en los hornos de frita y esmalte teniendo en cuenta sus desafíos y peculiaridades. Para dicha adaptación se han tenido que desarrollar un recuperador de calor de la doble camisa capaz de trabajar con humos sucios y adherentes, particularidad de los hornos de frita cerámica. También se ha tenido que desarrollar recuperadores de coraza y tubos con temperaturas de trabajo cercanos 850°C y con materiales resistentes a la extrema oxidación por parte del oxígeno a alta temperatura, además de un quemador de oxicombustión capaz de soportar la extrema radiación del interior del horno ya que se alcanza temperaturas superiores a los hornos de vidrios y, por supuesto, la extrema oxidación que sufren los elementos del quemador como el propio cuerpo, que está calorifugado, la boquilla fabricada en acero refractario y la tobera fabricada con hormigón refractario.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El horno de oxicombustión para fritas y esmaltes que la invención propone, resuelve de forma satisfactoria la problemática anteriormente expuesta mediante la incorporación un recuperador de calor de radiación del tipo doble camisa en contracorriente encargado en una primera etapa de precalentar una corriente de aire hasta unos 850°C, utilizando el calor o energía residual de los humos de salida del horno de fritas y esmaltes. Este recuperador de calor se instala en la salida de humos del horno y dispone de un paso para el fluido primario sin ninguna obstrucción, ya que el fenómeno de radiación no requiere de un paso estrecho para mejorar la convección y, por lo tanto, resulta idóneo para los hornos de fritas y esmaltes.

Opcionalmente, una dilución de aire controlada mediante un servomotor o similar puede ser instalada para proteger el recuperador de calor de temperaturas superiores a los 1250°C.

Una vez precalentado el aire o fluido secundario hasta unos 850°C, es conducido hasta el primer intercambiador de calor que principalmente será el de oxígeno, ya que, por motivos de seguridad, podemos trabajar a mayores temperaturas que en el caso del gas natural o el hidrogeno. Este intercambiador del tipo mixto radiación y convección se concibe del tipo coraza y tubos en contracorriente utilizando, como fluido primario, el aire en la zona “tubo” y, como fluido secundario, el oxígeno en la zona “carcasa”, aunque otras disposiciones pueden ser válidas para obtener la temperatura de oxígeno deseada.

En esta segunda etapa pasamos de disponer de una corriente de aire precalentado de hasta unos 850°C a tener una corriente de aire a unos 550°C y una corriente de oxígeno a unos 800°C, éste último, el oxígeno ya está listo para ser introducido en el quemador para posteriormente oxidar el combustible, produciendo así la reacción de combustión.

De acuerdo con otra de las características de la invención, el aire caliente sobrante, se utilizará para precalentar principalmente el combustible, utilizando un intercambiador de calor similar al que utilizamos en el precalentamiento del oxígeno. Éste segundo intercambiador es principalmente por convección y se concibe del tipo coraza y tubos en contracorriente, utilizando, como fluido primario, el aire en la zona “tubo” y, como fluido secundario, el combustible en la zona “coraza”, aunque otras disposiciones pueden ser válidas para obtener la temperatura del combustible deseada.

A partir de esta tercera etapa pasamos de disponer de una corriente de aire precalentado hasta unos 550°C a tener una corriente de aire a unos 250°C y una corriente de combustible gaseoso a unos 500°C, éste último, el combustible, ya está listo para ser introducido en quemador para posteriormente ser oxidado con el comburente y producir la reacción de combustión.

Para esta última etapa, que corresponde básicamente a la reacción de combustión, se concibe un quemador de oxicombustión especialmente preparado para trabajar con el oxígeno y el combustible ya precalentados hasta las temperaturas de 800°C y 500°C respectivamente.

Para ello el quemador está configurado, básicamente, en dos conducciones de sección variable deseablemente concéntricas, en el cual el gas combustible circula por el tubo central y el oxígeno por el tubo exterior. Estas conducciones están fabricadas en un material resistente a altas temperaturas, con bajo coeficiente de dilatación y resistente, sobre todo, a la oxidación. Además, el quemador posee un calorifugado exterior para disminuir las pérdidas por aislamiento, esto es una característica que solo se encuentra en esta tecnología, ya que en los quemadores de oxicombustión habituales no es necesario el aislamiento de las conducciones por tener el gas y el oxígeno a temperatura ambiente, estando la boquilla fabricada en acero refractario y la tobera fabricada con hormigón refractario.

Estas conducciones concéntricas transportan ambos reactivos hasta la tobera de material refractario donde se encuentran y se produce la reacción de combustión. La peculiaridad principal de este nuevo quemador respecto a los ya actuales es que, debido al aumento de las temperaturas de los reactivos, se produce un aumento de la cinética de reacción y, por tanto, la distancia entre el quemador y el punto de temperatura máxima disminuye, siendo este efecto no deseable, ya que el punto de máxima temperatura debe estar lo más cerca de la entrada de material, lugar donde es necesaria la mayor energía posible para facilitar el cambio de fase. Para solucionar este problema, los diámetros, ángulos y disposición de la boquilla está optimizada buscando que el punto más caliente de la llama se produzca lo más cerca de la entrada de la materia prima, o mejor dicho, lo más lejos del quemador.

Por último, y no menos importante, el horno se complementa con un ventilador de aire portador de calor. Este equipo es el encargado de aspirar aire exterior a través de una rejilla cerca del horno para, a continuación impulsarlo y hacerlo pasar por el recuperador de humos, posteriormente por el intercambiador de oxígeno y, finalmente, por el intercambiador de combustible con la energía suficiente para mantener un caudal mínimo de trabajo y una presión, tanto dinámica como estática, lo suficientemente alta para poder soportar las pérdidas de carga de recuperadores e intercambiadores, que es relativamente alta, para poder transferir el calor con la menor superficie. Este aire, una vez sale del último intercambiador aún tiene algo de calor residual al encontrarse a una temperatura de unos 250°C, es por ello que, por último, se ha diseñado un sistema de válvulas motorizas sincronizadas o enclavadas eléctricamente con las que se puede regular la cantidad de calor que recirculamos al sistema.

Este nivel de calor recirculado se define en los extremos como:

- 0% equivalente a recirculación nula, es decir que el aire es completamente renovado, por tanto, el aire portador de calor es aspirado por el ventilador a la temperatura ambiental y, una vez sale del último intercambiador a unos 250°C, se expulsa al exterior mediante una conducción, es el modo menos eficiente, pero más conservador y seguro.

- 100% equivalente a una recirculación prácticamente total del aire portador de calor, por lo tanto, éste es aspirado por el ventilador a una temperatura de unos 250°C e impulsado a los intercambiadores con esta energía adicional, traduciéndose en una mayor temperatura de los reactivos y una mayor eficiencia de la reacción de combustión.

Como se puede apreciar, con este novedoso sistema de válvulas se permite regular todo el sistema de precalentamiento de combustible oxígeno, pudiendo seleccionar los porcentajes de recirculación intermedios según desee el usuario en función de sus políticas de ahorro energético frente a gastos de mantenimiento.

Por lo demás, el resto de los elementos habituales que componen un horno actual diseño de un horno de oxicombustión para fritas y esmaltes se mantienen inalterados, definiendo así un nuevo sistema capaz de aprovechar el calor de los humos procedentes de hornos de oxicombustión de fritas de esmaltes para obtener ahorros energéticos de un 22%.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un plano en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista en perfil y en sección de horno de oxicombustión para fritas de esmaltes realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

En la figura 1, se han utilizado las siguientes referencias numéricas separándose en dos grupos para mayor compresión de lo que supone la invención respecto a lo ya existente.

Grupo 1: Correspondiente a los elementos convencionales en un horno de oxicombustión y que forman parte del estado de la técnica actual.

• Tolva de recepción (1.1)

• Sinfín de alimentación (1.2)

• Boca de carga (1.3)

• Cámara de combustión (1.4)

• Chimenea de salida de ladrillos refractarios (1.5)

• Chimenea de salida metálica (1.6)

• Solera (1.7)

• Piquera de salida (1.8)

• Bandeja vibrante (1.9)

Grupo 2: Correspondiente a los elementos mejoran el rendimiento del horno de la presente invención.

• Ventilador de aire portador de calor (2.1)

• Recuperador de calor de humos (2.2)

• Intercambiador de calor de oxígeno (2.3)

• Intercambiador de calor de gas (2.4)

• Válvulas de recirculación (2.5)

• Quemador de oxicombustión (2.6)

• Inyector de aire de dilución (2.7)

A la vista de la figura reseñada, puede observarse como el horno de la invención parte de la estructuración convencional de un horno para la fusión de fritas cerámicas, en el que participa una tolva de recepción (1.1) de la materia a fundir, que alimenta al horno a través de un sinfín de alimentación (1.2), concretamente a través de una boca de carga (1.3), horno que como es convencional incluye una cámara de combustión (1.4) con un orificio que comunica con una chimenea de salida de ladrillos refractarios (1.5) como canal de evacuación de gases, que termina con una chimenea de salida metálica (1.6) mientras que inferiormente se establece una solera (1.7), habitualmente de material electrofundido, contando el cuerpo del horno con una piquera de salida (1.8) inferior para salida del material fundido hacia una bandeja vibrante (1.9).

Pues bien, de acuerdo ya con la esencia de la invención, se ha previsto que entre la salida de ladrillos refractarios (1.5) y la chimenea de salida metálica (1.6) se establezca un recuperador de calor de humos (2.2), de tipo doble camisa, por cuya camisa interna circulan los gases de combustión, mientras que por su camisa externa circula, preferentemente en contracorriente, un flujo de aire forzado por un ventilador de impulsión de aire portador de calor (2.1) que se conecta a través de una entrada superior de dicho recuperador de calor de humos (2.2), incluyendo este último una salida inferior del aire recalentado por los gases de combustión que por medio de un circuito de recirculación se hace pasar a través de un intercambiador de oxígeno (2.3), de precalentamiento del oxígeno en funciones de comburente que alimenta el quemador de oxicombustión (2.6) hasta una temperatura del orden de los 800°C, aire recalentado que se hace pasar a su vez por un intercambiador de gas (2.4) que calienta el gas natural, hidrógeno o combustible o mezcla de los mismos utilizado hasta una temperatura del orden de los 500°C, incluyendo un circuito de válvulas de recirculación (2.5), con medios de recirculación total, parcial o expulsión al exterior de aire calentado por el recuperador de calor de humos (2.2) una vez precalentados el comburente y el combustible que alimentan el quemador de oxicombustión (2.6).

Opcionalmente, se ha previsto que en correspondencia con la chimenea, antes de la entrada al recuperador de calor de humos (2.2) se pueda instalar un inyector de aire de dilución (2.7) controlado mediante un servomotor o similar para proteger el recuperador de calor de temperaturas superiores a los 1250°C.

Por último y no menos importante, en la pared frontal de la cámara de combustión (1.4), y en oposición de la entrada de material prima se sitúa el ya mencionado quemador de oxicombustión (2.6), que presenta un nuevo diseño y geometría para su quemador y tobera, tanto por la nueva geometría, como por los nuevos materiales utilizados, principalmente por el extremo carácter oxidante que posee el oxígeno con pureza cercanas al 100% y temperaturas entorno a los 800°C, de modo que éste se dispone de forma que el punto más caliente de la llama se produzca lo más cerca de la entrada de la materia prima, tal como muestra la figura 1.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1§.- Horno de oxicombustión de fusión de fritas y esmaltes, que partiendo de la estructuración convencional de un horno para la fusión de fritas cerámicas, en el que participa una tolva de recepción (1.1) de la materia a fundir, que alimenta al horno a través de un sinfín de alimentación (1.2), concretamente a través de una boca de carga (1.3), y que incluye una cámara de combustión (1.4) con un orificio que comunica con una chimenea de salida de ladrillos refractarios (1.5) como canal de evacuación de gases, que termina con una chimenea de salida metálica (1.6) mientras que inferiormente se establece una solera (1.7), contando el cuerpo del horno con un quemador y una piquera de salida (1.8) inferior para salida del material fundido, se caracteriza por que entre la salida de ladrillos refractarios (1.5) y la chimenea de salida metálica (1.6) se establece un recuperador de calor de humos (2.2), en el que se define un circuito de salida de los humos de combustión y un circuito de recirculación y calentamiento de aire forzado por un ventilador de impulsión de aire portador de calor (2.1), que se conecta en serie con un intercambiador de oxígeno (2.3) y un intercambiador de gas (2.4) determinantes de respectivos medios de calentamiento del oxígeno en funciones de comburente y combustible que alimentan el quemador de oxicombustión (2.6) del horno hasta unas temperaturas del orden de 800°C para el oxígeno y 500°C para el gas natural, hidrógeno o combustible o mezcla de los mismos utilizado.

   2§.- Horno de oxicombustión de fusión de fritas y esmaltes, según reivindicación 1§, en donde el circuito de recirculación del aire calentado por el recuperador de calor de humos (2.2) incluye un circuito de válvulas de recirculación (2.5), con medios de recirculación total, parcial o expulsión al exterior de aire calentado por dicho recuperador de calor de humos (2.2) una vez precalentados el comburente y el combustible que alimentan el quemador de oxicombustión (2.6).

   3§.- Horno de oxicombustión de fusión de fritas y esmaltes, según reivindicación 1§, en donde el quemador de oxicombustión (2.6) se dispone sobre la pared frontal de la cámara de combustión (1.4), en oposición de la entrada de materia prima, incluyendo un calorifugado exterior, estando la boquilla fabricada en acero refractario y la tobera de dicho quemador fabricada con hormigón refractario.

   4- .- Horno de oxicombustión de fusión de fritas y esmaltes, según reivindicación 1-, en donde en la chimenea se incluye, antes de la entrada recuperador de calor de humos (2.2), un inyector de aire de dilución (2.7) dotado de medios de control, como elemento de protección del recuperador de calor frente a altas temperaturas.

   5- .- Horno de oxicombustión de fusión de fritas y esmaltes, según reivindicación 1-, en donde el recuperador de calor de humos (2.2) se materializa en un intercambiador de tipo doble camisa, por cuya camisa interna circulan los gases de combustión, mientras que por su camisa externa circula, en contracorriente, el aire de calentamiento del combustible y el comburente.