ES2933119T3

ES2933119T3 - Procedimiento y dispositivo para la combustión escalonada sin llama

Info

Publication number: ES2933119T3
Application number: ES18205667T
Authority: ES
Inventors: Joachim A Wünning; Joachim G Wünning
Original assignee: WS Warmeprozesstechnik GmbH
Current assignee: WS Warmeprozesstechnik GmbH
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: CN113286968A; KR20210089664A; US20220026058A1; EP3650753A1; EP3650753B1; KR102780091B1; JP2022507299A; US12241626B2; WO2020099254A1; JP7324281B2; CN113286968B

Abstract

En el método según la invención para calentar una cámara de calentamiento a una temperatura por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, se proporciona una cámara de combustión en la que el combustible y el aire reaccionan entre sí en una oxidación sin llama en una mezcla no estequiométrica. relación. La relación de aire A está al menos tan alejada de la relación estequiométrica λ=1 que no se supera una temperatura en la cámara de combustión a la que comienza la producción térmica de óxido de nitrógeno. Esta temperatura es, por ejemplo, de 1300°C a 1400°C. Por otro lado, la relación de aire λ se ajusta de tal manera que se supere con seguridad la temperatura de autoignición del combustible utilizado en la cámara de combustión. Esto da como resultado dos rangos de relación de aire permisibles, a saber, un primer rango entre λmin y λ1 en funcionamiento subestequiométrico y un segundo rango λ2 a λmaxim en funcionamiento superestequiométrico de la cámara de combustión (11). Los gases todavía reactivos descargados de la cámara de combustión (11) se hacen reaccionar en la cámara de calentamiento (12) con aire adicional y/o combustible adicional, lo que tiene lugar preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). Los gases todavía reactivos descargados de la cámara de combustión (11) se hacen reaccionar en la cámara de calentamiento (12) con aire adicional y/o combustible adicional, lo que tiene lugar preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). Los gases todavía reactivos descargados de la cámara de combustión (11) se hacen reaccionar en la cámara de calentamiento (12) con aire adicional y/o combustible adicional, lo que tiene lugar preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). También se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). También se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). preferiblemente con oxidación sin llama. Como resultado, también se evita la generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento (12). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para la combustión escalonada sin llama

La invención se refiere a un procedimiento para la combustión escalonada sin llama y un dispositivo para ello.

Por el documento EP 0698764 A2 se conoce un quemador para la combustión sin llama de una mezcla de gas combustible/aire para el calentamiento de agua. Para mantener una oxidación sin llama en la cámara de combustión está previsto un aislamiento entre una envolvente de agua y el interior de la cámara de combustión para poder alcanzar las altas temperaturas necesarias para la oxidación sin llama en la cámara de combustión.

Por el documento WO 01/11215 A1 se conoce una cámara de combustión para una turbina de gas, donde la cámara de combustión trabaja con oxidación escalonada. En la cámara de combustión se mantiene un flujo circular a gran escala, en el que el aire de combustión se añade con moderación en distintos lugares. De este modo se debe conseguir una llama extremadamente estable.

Por el documento US 7 062 917 B2 se conoce una cámara de combustión prevista para turbinas de gas, que igualmente trabaja con un flujo circular a gran escala, no obstante, que está concebido para un funcionamiento estable sin llama.

El documento US 5 154599 da a conocer un quemador para el calentamiento de una cámara de combustión por medio de oxidación sin llama. En el quemador está configurada una cámara de combustión, en la que se puede encender una llama. Esto sirve para precalentar y calentar el espacio de horno, es decir, para poner en marcha el quemador. Durante el funcionamiento estacionario, la cámara de combustión está inactiva y la oxidación del combustible tiene lugar exclusivamente en el espacio de horno.

Por el documento EP 1995515 B1 se conoce el calentamiento de una cámara de combustión por medio de oxidación sin llama a una temperatura que se sitúa por debajo de los 850 °C necesarios de otro modo para la oxidación sin llama. Para generar y mantener la oxidación sin llama, el quemador presenta una cámara de combustión, en la que una llama se quema de forma estable. El gas de escape caliente emitido por la cámara de combustión se introduce junto con el aire y el combustible en el espacio de horno, en el que tiene lugar una oxidación sin llama del combustible.

El documento US 3 309 866 describe una turbina de gas con cámara de combustión oxidante sin llama para la oxidación de una mezcla de gas/aire. Para ello está prevista una cámara de combustión en forma de toro. A esta cámara de combustión se le suministra una mezcla de gas y aire procedente de un carburador.

Además, por el documento US 5727378 se conoce una turbina de gas cuya cámara de combustión recibe una mezcla rica en combustible procedente de un dispositivo de atomización y adicionalmente aire a través de muchas aberturas de suministro de aire, de modo que en la cámara de combustión se configura una zona de mezcla primaria sin llama y posteriormente una zona de combustión. La oxidación del combustible tiene lugar en la zona de combustión. Por el contrario, la zona de mezcla sirve para atomizar el combustible. El frente de llamas se ha desplazado alejándose de la zona de mezcla.

En el documento US 6234092 B1 se describe un dispositivo para el tratamiento térmico de líquidos incombustibles que trabaja con oxidación sin llama. En la cámara de horno calentada con oxidación sin llama se inyecta el líquido no inflamable a tratar térmicamente.

Además, por el documento DE 102011 087971 A1 se conoce un aparato de calentamiento para la generación de calor útil, que presenta una cámara de precombustión, una cámara de combustión principal y entre ellas un catalizador. La cámara de precombustión se hace funcionar con una combustión de llama fría, en la que se disocian los hidrocarburos de cadena larga. Un intercambiador de calor envuelve tanto la cámara de combustión principal como también parcialmente la cámara de precombustión.

En los procedimientos de combustión que trabajan con oxidación sin llama, conocidos por el estado de la técnica, se suprime la formación de llama, con lo que se evita también la formación térmica de NOx. Al mismo tiempo, los quemadores configurados correspondientemente permiten el precalentamiento del aire, por ejemplo, aprovechando la energía de los gases de escape, a altas temperaturas, sin que por ello se deba registrar una formación térmica de NOx. No obstante, una condición previa para garantizar una oxidación sin llama en una cámara de calentamiento es el mantenimiento de una temperatura de la cámara de calentamiento que se sitúe por encima de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, más un margen de seguridad. A continuación, bajo la denominación "temperatura de autoignición" se entiende siempre la temperatura de autoignición propiamente dicha más un margen de seguridad que, por ejemplo, en el caso del gas natural asciende a aproximadamente 150 Kelvin. Esto significa, en el caso de combustibles habituales, tal como, por ejemplo, metano (gas natural), que la temperatura de la cámara de calentamiento se debe situar por encima de 850 °C.

En muchos casos de aplicación no se desean temperaturas de cámara de calentamiento tan elevadas, por ejemplo, porque la cámara de calentamiento sirve para el calentamiento de productos sensibles y no debe superar determinadas temperaturas límite. Tales casos de aplicación son, por ejemplo, el secado de productos, el revenido de objetos metálicos, la soldadura fuerte de aluminio u otro tratamiento térmico de metales, en particular metales de bajo punto de fusión o la generación de vapor. La generación de calor para tales procesos se basa típicamente en quemadores con retención de llama, en los que una formación térmica de NOx es inevitable.

El objetivo de la invención es especificar un concepto para la generación de calor con bajos niveles de NOx para procesos a baja temperatura.

Este objetivo se consigue con el procedimiento según la reivindicación 1 y se implementa con el dispositivo según la reivindicación 9.

El procedimiento según la invención y el dispositivo según la invención permiten el calentamiento de una cámara de calentamiento con una temperatura que también se sitúa por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado (más margen de seguridad), donde al menos una gran parte de la energía térmica utilizada se libera en un proceso de oxidación sin llama. Para ello se prevé un proceso de oxidación de al menos dos etapas, en el que en una primera etapa se suministra combustible y aire en una relación no estequiométrica a una cámara de combustión y allí se hace reaccionar en oxidación sin llama. La cámara de combustión está dispuesta esencialmente de forma adiabática, es decir, no se le extrae ninguna energía térmica, en particular no se desacopla ningún calor útil, excepto pérdidas térmicas inevitables. La oxidación sin llama se logra manteniendo un flujo de recirculación a gran escala en la cámara de combustión, donde se evitan los vórtices a pequeña escala que se podrían originar en las estructuras retenedoras de llama. La cámara de combustión no presenta retenedores de llama u otras estructuras retenedoras de llama. Se consideran estructuras retenedoras de llama todas las estructuras que pueden ralentizar tanto el flujo de gas y generan vórtices estacionarios a pequeña escala, de modo que una llama se pueda retener en la estructura. La temperatura se ajusta en la cámara de combustión por encima de la temperatura de autoignición del combustible utilizado. No obstante, se mantiene por debajo de una temperatura a la que se debería registrar de forma reforzada una formación de óxidos de nitrógeno. El ajuste de tales relaciones se realiza preferentemente a través de la relación de combustible/aire (de forma abreviada: relación de aire A) en la cámara de combustión.

La corriente de gas de reacción descargada de la cámara de combustión se le suministra a la cámara de calentamiento y se oxida completamente allí, si es necesario, con adición de aire y/o combustible. A este respecto, la oxidación tiene lugar principalmente en la sección reactiva de la corriente de gas de reacción, cuya temperatura se sitúa por encima de la temperatura de autoignición del combustible utilizado. En la cámara de calentamiento se mantiene un flujo de circulación en el que la corriente de gas de reacción caliente se mezcla con el volumen de gas más frío contenido en la cámara de calentamiento. Por lo tanto, se pueden calentar productos sensibles o calentar los serpentines de calentamiento de un generador de vapor sin que el producto a calentar o el generador de vapor se dañen. Al mismo tiempo, se procura que no se produzca en gran medida una generación térmica de NOx. En particular, el proceso de oxidación se guía tanto en la cámara de combustión como también en la cámara de calentamiento, de modo que en ningún punto se superaría un límite de temperatura, a partir del cual se puede registrar de forma aumentada una formación de óxido de nitrógeno, tal como, por ejemplo, 1400°C.

Preferentemente, la oxidación en la cámara de combustión se lleva a cabo de forma fuertemente sub-estequiométrica o fuertemente sobre-estequiométrica, por lo que la temperatura se puede mantener por encima de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, pero a este respecto lejos de la temperatura más alta, requerida para la formación de óxidos de nitrógeno. Por ejemplo, la temperatura en la cámara de combustión se puede regular a través de la relación de aire a la temperatura dentro de un rango de temperatura de, por ejemplo, 1000 °C a 1300 °C. La oxidación posterior en la cámara de calentamiento mediante introducción de aire adicional (en el caso de cámara de combustión sub-estequiométrica) o mediante introducción de combustible (en el caso de cámara de combustión sobreestequiométrica) se guía igualmente preferentemente de modo que las temperaturas que se producen en la zona de oxidación posterior no excedan el valor límite de temperatura mencionado de 1300 a 1440 °C. Para ello, el aire requerido para la oxidación posterior y/o el combustible requerido se introducen lo más distribuido posible a gran escala en el chorro de gases de reacción que sale de la cámara de combustión. La distribución a gran escala de aire o combustible en este chorro se puede lograr previéndose para ello varias boquillas de combustible y/o aire y/o coordinándose entre sí el flujo de combustible o flujo de aire requerido en las velocidades de flujo y los impulsos del flujo de gas de reacción, así como para la oxidación posterior, de modo que se logre una distribución del aire o del combustible en el chorro de gas de reacción antes de que se pueda realizar una oxidación completa local.

Preferentemente. en la cámara de combustión se guía un proceso adiabático con combustión parcial sin llama del combustible empleado. El calor generado en la cámara de combustión se extrae exclusivamente de la cámara de combustión por el flujo de gas combustible y se suministra a la cámara de calentamiento. Mientras que de la cámara de combustión no se extrae ningún calor útil, la cámara de calentamiento aguas abajo sirve para el desacoplamiento del calor útil.

Durante el funcionamiento del dispositivo de generación de calor, una regulación de temperatura de la cámara de combustión se realiza preferentemente mediante la determinación y el ajuste adecuados de la relación entre el flujo de combustible suministrado y el flujo de aire suministrado. Esto se puede realizar sobre la base de los flujos de masa o también de los flujos volumétricos.

En el modo a plena carga, la cámara de combustión se hace funcionar preferentemente de forma sub-estequiométrica, donde se contrarresta un aumento de la temperatura mediante una reducción de la relación de aire A. En el modo de carga parcial, la cámara de combustión también se puede hacer funcionar de forma sobre-estequiométrica, donde un aumento de la temperatura se contrarresta entonces preferentemente mediante un aumento de la relación de aire A. La transición del funcionamiento sub-estequiométrico al sobre-estequiométrico, por ejemplo, para adaptarse a un cambio de carga, se efectúa preferentemente evitando un rango para la relación de aire A que se sitúa cerca de A=1. Por ejemplo, alrededor de A=1 puede estar fijada un rango, por ejemplo, de A=0,8 a A=1,6, en el que el dispositivo de control no permite un funcionamiento permanente. Esta zona se menciona aquí solo a modo de ejemplo y puede estar determinada de forma diferente en función del combustible.

Al evitar un rango de funcionamiento semejante se puede evitar eficazmente un sobrecalentamiento de la cámara de combustión y, por lo tanto, también una generación de NOx no deseada.

En el procedimiento según la invención y el dispositivo según la invención, la potencia calorífica a generar se genera preferentemente principalmente en la cámara de combustión que funciona de forma adiabática, en la que el combustible se oxida sin llama. Esto se realiza preferentemente de forma sub-estequiométrica, ya que de este modo resulta un menor flujo volumétrico de gas en comparación con el funcionamiento sobre-estequiométrico. La temperatura de reacción adiabática de la mezcla de combustible y aire suministrada se mantiene preferentemente por debajo de un valor límite de, por ejemplo, 1400 °C. Si el combustible es gas natural, la proporción de aire A se sitúa, por ejemplo, cerca de 0,5. La temperatura media del gas en la cámara de combustión se sitúa entonces claramente por debajo del valor límite mencionado.

En la cámara de calentamiento aguas abajo, los gases de reacción calientes se suministran desde la cámara de combustión y aire o combustible, de modo que en la cámara de calentamiento se configura un flujo de recirculación a gran escala, en el que tiene lugar preferentemente una combustión sin llama. La alta temperatura de los gases de reacción de la cámara de combustión asegura la combustión en la cámara de calentamiento, aunque la temperatura del medio que absorbe el calor o de los productos a calentar, así como también la temperatura media de la cámara de calentamiento, se sitúa por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado. En la cámara de calentamiento, a continuación del paso de gas de reacción desde la cámara de combustión, se mantiene una zona de temperatura elevada, que se sitúa por encima de la temperatura de autoignición del combustible y que está rodeada por zonas de temperatura más baja, cuyas temperaturas se sitúan por debajo de la temperatura de autoignición. El procedimiento según la invención también es adecuado para la combustión de los denominados gases débiles, que en particular en caso de cambio de composición causan dificultades en la estabilización de la llama.

En el dibujo se ilustran ejemplos de realización de un dispositivo según la invención. Muestran:

Figura 1 un dispositivo según la invención, en una representación esquemática,

Fig. 2 un dispositivo modificado según la invención, en representación esquemática,

Figura 3 cámara de combustión y cámara de calentamiento de un dispositivo según la invención, en representación en sección longitudinal esquemática,

Figura 4 un diagrama para aclarar la regulación de carga del dispositivo según las figuras 1 a 3.

Para aclarar el procedimiento según la invención se hace referencia al dispositivo 10 según la figura 1, que contiene una cámara de combustión 11 aislada térmicamente contra pérdidas de calor y una cámara de calentamiento 12, en la que se puede extraer calor útil. El desacoplamiento de calor de la cámara de calentamiento 12 se puede realizar mediante extracción de calor, por ejemplo, a través de un serpentín de calentamiento 13, en la que se calienta o evapora un fluido portador de calor, u otros medios técnicos. Por ejemplo, la cámara de calentamiento 12 se puede utilizar para el secado de productos, para el calentamiento de productos, por ejemplo, para la soldadura o para otros fines que requieren un calentamiento de fluidos u objetos a temperaturas moderadas que se pueden situar por debajo de la temperatura de autoignición de un combustible utilizado, por ejemplo, 850°C.

A la cámara de combustión 11 se le suministran combustible y aire a través de una línea de combustible 14 y una línea de aire 15. La relación entre el combustible y el aire se determina a este respecto de modo que la relación entre el aire es A£1. Preferentemente, A es significativamente menor que 1, es decir, se trabaja con exceso de combustible. Para iniciar la oxidación en la cámara de combustión 11, esta está provista preferentemente de un dispositivo de encendido no ilustrado más, por ejemplo, de un dispositivo de encendido por chispa o de un quemador piloto. Este puede funcionar en modo continuo o también desconectarse después del establecimiento de la oxidación sin llama en la cámara de combustión 11.

Preferentemente, la pared de la cámara de combustión 11 presenta una alta resistencia térmica. Por ejemplo, la cámara de combustión 11 puede estar revestida de cerámica o estar hecha de cerámica. De esta manera, después de la ignición del combustible en la cámara de combustión 11 se debería permitir un calentamiento rápido de la misma y un rápido logro de un modo de funcionamiento con oxidación sin llama.

Los gases de reacción que se originan en la cámara de combustión 11 se introducen en la cámara de calentamiento 12 a través de un paso de gas de reacción 16. Además, a través de una línea 17 se introduce aire y/o combustible en la cámara de calentamiento 12, con el fin de mezclarse allí con los gases de reacción calientes y provocar una oxidación completa del combustible utilizado. La cámara de calentamiento 12 es preferentemente esencialmente más grande que la cámara de combustión 11, donde en la cámara de calentamiento 12 se establece una temperatura media que es esencialmente más baja que en la cámara de combustión 11 y que también se puede situar preferentemente por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado. Los gases de escape resultantes se expulsan de la cámara de calentamiento 12 a través de una línea 18.

Preferentemente, la cámara de combustión 11 se hace funcionar en un rango de temperatura que es al menos tan alto que se excede la temperatura de autoignición del combustible utilizado, pero donde al mismo tiempo es tan baja que la generación de óxido de nitrógeno se suprime casi por completo. El rango de temperatura utilizable de la cámara de combustión 11 puede estar fijado, por ejemplo, de modo que el límite de temperatura inferior se sitúa entre 850 °C y 1100 °C, mientras que el límite de temperatura superior se sitúa, por ejemplo, entre 1100 °C y 1300 °C y, por ejemplo, es de 1200 °C. El intervalo de temperatura deseado se ajusta preferentemente mediante la determinación o regulación correspondiente de la relación de aire A. A este respecto, la cámara de combustión 11 trabaja, por ejemplo (y preferentemente), con déficit de aire. De este modo se pueden conseguir formas constructivas relativamente pequeñas de la cámara de combustión 11. Además, el impulso del aire secundario requerido para la oxidación completa a suministrar a través de la línea 17 está disponible para el establecimiento de un flujo de recirculación a gran escala y suficientemente rápido en la cámara de calentamiento 12 aguas abajo.

La temperatura en la cámara de combustión 11 depende en el caso de funcionamiento adiabático solo de la relación de combustible/aire, es decir, la relación de aire y, por lo tanto, de la relación de sección transversal de las boquillas de entrada de aire de la cámara de combustión 11 y de las boquillas de aire secundarias de la cámara de calentamiento 12. Con una relación de, por ejemplo, 1:1, lo que corresponde a un déficit de aire de aprox. el 50%, en el caso del gas natural como combustible en la cámara de combustión 11 casi adiabática se ajusta una temperatura de aprox. 1100°C. Además, se puede establecer una regulación de temperatura, que influye en la estequiometría, es decir, en la relación de aire en la cámara de combustión 11, para mantener la temperatura en la cámara de combustión 11 dentro de un rango deseado. Esto es conveniente en particular al utilizar gases débiles con un valor calorífico variable como combustible. Entonces se puede regular la temperatura de la cámara de combustión 11 a través de la relación de aire A.

La regulación de la temperatura de la cámara de combustión 11 mediante la determinación adecuada de la estequiometría (de la relación de aire A) también se puede aplicar para el arranque en frío, de modo que la cámara de combustión 11 se puede llevar rápidamente a la temperatura de funcionamiento deseada de, por ejemplo, 1000 °C. Para el arranque en frío, la cámara de combustión 11 se puede hacer funcionar, por ejemplo, en funcionamiento estequiométrico (A=1) hasta que se alcance la temperatura deseada, después de lo cual el funcionamiento se reanuda de forma sub-estequiométrica. Para posibilitar en la cámara de combustión 11 el funcionamiento deseado sin llama, la cámara de combustión 11 está concebida para la configuración de un vórtice de recirculación a gran escala. Sin embargo, no están presentes estructuras retenedoras de llama. En la cámara de combustión 11 se pueden disponer para ello dispositivos de control de flujo adecuados que promuevan la configuración de un flujo de recirculación.

El funcionamiento sin llama también se puede realizar, si es necesario, en la cámara de calentamiento 12 conectada aguas abajo, aunque su temperatura en la zona de las estructuras de desacoplamiento térmico, por ejemplo, el serpentín de calentamiento 13, sea inferior a la temperatura de autoignición del combustible utilizado. Para ello se hace referencia a la figura 3, en la que se ilustra una sección longitudinal esquemática de la cámara de combustión 11 y de la cámara de calentamiento 12. En la cámara de combustión 11, por medio de un dispositivo de conducción, por ejemplo en forma de un cilindro hueco, se establece un vórtice de recirculación 19, en el que se oxida el combustible de forma sub-estequiométrica. El aire 20 insuflado a través de la línea 17 en la cámara de calentamiento 12 transmite su impulso a un chorro de gas 21, que se compone de los gases de reacción expulsados de la cámara de combustión 11. En esta zona se puede realizar en el chorro de gas 21 que se configura una oxidación sin llama de los combustibles todavía presentes en el chorro de gas 21, por lo que se realiza una liberación de calor adicional. No obstante, en el marco de su recirculación en la cámara de calentamiento 12, el chorro de gas 21 se mezcla con el gas residual más frío presente allí y forma por lo tanto zonas más frías, de modo que la temperatura media en la cámara de calentamiento 12, a pesar de la liberación de energía adicional en el chorro de gas 21, se puede situar por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, por ejemplo, por debajo de 850 °C.

El dispositivo 10 y el procedimiento explicado mediante el mismo tienen numerosas ventajas en comparación con los dispositivos de calentamiento y los procedimientos de calentamiento convencionales basados en particular en el funcionamiento con llama. Mediante el funcionamiento de la cámara de combustión 11 en oxidación sin llama y preferentemente también de la cámara de calentamiento 12 con oxidación sin llama, la formación térmica de NOx se puede suprimir casi por completo y, por lo tanto, se pueden alcanzar valores por debajo de 10 mg/m3. Esto es válido independientemente de la temperatura de las zonas de la cámara de calentamiento 12 que sirven para el desacoplamiento térmico, que también se puede situar por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, por ejemplo, por debajo de 850 °C.

Si se utilizan gases débiles con un valor calorífico variable, se pueden evitar los problemas de la estabilización de llama presentes de otro modo mediante el funcionamiento de la cámara de combustión 11 con oxidación sin llama. Se muestra que la cámara de combustión 11 se puede adaptar de manera sencilla a diferentes rangos de potencia desde 10 kW hasta algunos MW de forma igual constructivamente y económica.

En la cámara de combustión 11 hecha funcionar sin desacoplamiento térmico, la temperatura también se puede mantener aproximadamente constante incluso con carga parcial, de modo que se obtiene una gran relación de regulación sin ningún esfuerzo especial.

Si la cámara de combustión 11 está provista de un revestimiento que bloquea la transmisión de calor, por ejemplo, un revestimiento cerámico, o si ella misma está hecha de cerámica u otro material con una alta resistencia a la conducción de calor, la cámara de combustión 11 puede trabajar sin llama ya durante el arranque en frío. Con la técnica de oxidación sin llama se evitan picos de temperatura locales en llamas, lo que tiene un efecto respetuoso con el material tanto en la cámara de combustión 11 como también en la cámara de calentamiento 12.

En la figura 2 está ilustrada una instalación 22 basada en el dispositivo 10 según las figuras 1 y 3, para cuya descripción se remite a la descripción anterior tomando como base los números de referencia ya introducidos. En la instalación 22 está conectado a la línea de gas de escape 18 un intercambiador de calor 23, que sirve para el precalentamiento del aire y emite gas de escape enfriado en una salida 24. El intercambiador de calor 23 calienta aire fresco suministrado a través de una entrada de aire fresco 25 y lo entrega calentado a las líneas 15 y/o 17. En al menos una de las líneas 15, 17 puede estar previsto un dispositivo de regulación de flujo 26, 27, por ejemplo, en forma de una corredera, una válvula, un ventilador o similares que influyen en la velocidad de flujo. Los dispositivos de regulación de caudal 26, 27 están conectados a un control 28. Este está conectado además con un dispositivo de regulación de flujo 29, que está dispuesto en la línea 14 para regular el flujo de combustible a la cámara de combustión 11.

El dispositivo de regulación de flujo 29 puede ser a su vez una corredera, una válvula, una bomba, un ventilador o similares.

La cámara de combustión 11 puede estar provista de un sensor de temperatura 30, que está conectado con el control 28. Un objetivo del sensor de temperatura 30 es la supervisión del funcionamiento de la cámara de combustión 11, en la que no se pueden utilizar sensores de llama convencionales debido a las llamas que faltan en la oxidación sin llama. Preferentemente, el sensor de temperatura es un sensor "rápido", es decir, presenta una inercia térmica especialmente baja.

En el caso de la instalación según la figura 2, el aire suministrado a la cámara de combustión 11 y/o a la cámara de calentamiento 12 se precalienta por el intercambiador de calor 23. Sin embargo, el intercambiador de calor 23 es opcional, también son posibles formas de realización que pueden prescindir de este intercambiador de calor y, por lo tanto, sin precalentamiento de aire para la cámara de calentamiento 12 y, en particular, también sin precalentamiento de aire para la cámara de combustión 11. La temperatura necesaria para la oxidación sin llama en la cámara de combustión 11 resulta entonces de la falta de desacoplamiento de calor útil, es decir, de los aislamientos térmicos de la cámara de combustión 11.

La instalación 22 ilustrada en la figura 2 puede trabajar, por ejemplo, de la siguiente manera:

En primer lugar, se ilustra un modo a plena carga. Para ello, el control 28, por medio del dispositivo de regulación de flujo 29, ajusta el flujo de combustible conforme a la potencia deseada y luego, por medio del dispositivo de regulación de flujo 26, regula el flujo de aire, es decir, la relación de aire de modo que la temperatura en la cámara de combustión 11 se sitúa en un rango de trabajo deseado, por ejemplo, entre 850°C y 1300°C, por ejemplo, a aproximadamente 1100°C. A este respecto, en la cámara de combustión 11 se ajusta una oxidación sin llama. Mediante el sensor de temperatura 30, el control 28 detecta la temperatura y reduce el flujo de aire en la línea de aire 15 cuando la temperatura aumenta más allá de una medida deseada y aumenta el flujo de aire cuando la temperatura desciende demasiado. Por lo tanto, la regulación de temperatura se realiza a través de una modificación de la relación de aire A, en el rango sub-estequiométrico. Esto se puede ver en la figura 4 en la sección derecha de las abscisas. Además, el control 28 está concebido a este respecto para no exceder un valor límite de A1 en este rango de regulación, con el fin de evitar un aumento excesivo de la temperatura y, por lo tanto, la generación de óxido de nitrógeno. El control 28, al mismo tiempo que el dispositivo de regulación de flujo 27, libera el flujo de aire en la línea 17 hasta el punto de que en la cámara de calentamiento 12 el combustible residual presente en el chorro de gas 21 se oxida completamente con el aire 20. La oxidación tiene lugar preferentemente sin llama dentro del chorro de gas 21. Este calienta la cámara de calentamiento 12 a pesar de que él mismo presenta una temperatura que se sitúa por encima de la temperatura de autoignición del combustible, a una temperatura que se sitúa por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado. Por lo tanto, en la cámara de calentamiento 12 tampoco se debe registrar ninguna formación térmica de NOx.

En el caso de la transición al modo de carga parcial, el control 28 reduce el flujo de combustible por medio del dispositivo de regulación de flujo 29 a valores más bajos. La relación de aire A se ajusta a este respecto de modo que la temperatura de autoignición en la cámara de combustión 11 permanezca superada de forma segura. A su vez, se suministra aire todavía necesario para la oxidación completa del combustible residual todavía existente en la cámara de calentamiento 12 para la línea 17.

En el caso de una carga extremadamente baja, el control puede pasar del funcionamiento sub-estequiométrico descrito hasta ahora de la cámara de combustión 11 al funcionamiento sobre-estequiométrico de la misma, como se ilustra en la figura 4 en la parte izquierda de las abscisas por encima del valor límite de la relación de aire A2. Mientras que en el funcionamiento sub-estequiométrico se ha logrado una reducción de la temperatura con una disminución de la relación de aire A, en el funcionamiento sobre-estequiométrico se consigue ahora una disminución de la temperatura con un aumento de la relación de aire A. La regulación 28 contrarresta en esta zona una temperatura demasiado alta con un aumento de la relación de aire y una temperatura demasiado baja de la cámara de combustión 11 con una disminución de la relación de aire.

El control 28 evita el rango entre los dos valores límite A1 y A2 al menos tan pronto como la cámara de combustión 11 se calienta, pasando a través de este rango en poco tiempo al cambiar del funcionamiento sub-estequiométrico al funcionamiento sobre-estequiométrico o cambiando sin transición del funcionamiento sub-estequiométrico al funcionamiento sobre-estequiométrico (y viceversa). De este modo se evita el aumento de la temperatura en la cámara de combustión 11 por encima de un valor límite crítico de, por ejemplo, 1300 °C o 1400 °C y la formación térmica de NOx asociada.

En las formas de realización presentadas son posibles numerosas modificaciones. Por ejemplo, el precalentamiento del aire por medio del intercambiador de calor 23 puede estar limitado al aire suministrado a través de la línea 15 a la cámara de combustión 11. Alternativamente, el precalentamiento de aire puede estar limitado al aire suministrado a la cámara de calentamiento 12 a través de la línea 17. También es posible suministrar a través de la línea 15 y/o la línea 17 una mezcla de aire precalentado y no precalentado. Además, al menos en principio también es posible un precalentamiento del combustible suministrado a través de la línea 14 a la cámara de combustión 11. Además, en particular para un funcionamiento sub-estequiométrico de la cámara de combustión 11 puede estar previsto un suministro de combustible adicional para la cámara de calentamiento 12, a fin de provocar una parte ampliada de la generación de calor en la cámara de calentamiento 12. Sin embargo, en todas las formas de realización presentadas se considera como ventajoso realizar la parte predominante de la generación de calor en la cámara de combustión 11 por medio de oxidación sin llama. La oxidación adicional se puede llevar a cabo en la cámara de calentamiento 12 con o sin llama, donde la oxidación sin llama permite la reducción de la generación de óxido de nitrógeno a valores por debajo de 10 mg por m3.

En el procedimiento según la invención para el calentamiento de una cámara de calentamiento 12 con una temperatura situada por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, se prevé una cámara de combustión 11, en la que el combustible y el aire se hacen reaccionar entre sí en oxidación sin llama en una relación de mezcla no estequiométrica. A este respecto, la relación de aire A está al menos tan alejada de la relación estequiométrica A=1 que en la cámara de combustión 11 no se supera una temperatura a partir de la cual comienza una generación térmica de óxido de nitrógeno. Esta temperatura se sitúa, por ejemplo, entre 1300 °C y 1400 °C. Por otro lado, la relación de aire A se determina de modo que se exceda de forma segura la temperatura de autoignición del combustible utilizado en la cámara de combustión 11. Por lo tanto, se obtienen dos rangos de relación de aire admisibles, a saber, un primer rango entre Amín y A1 en el funcionamiento sub-estequiométrico y un segundo rango A2 a máx en el funcionamiento sobreestequiométrico de la cámara de combustión

11. Los gases todavía reactivos descargados de la cámara de combustión 11 se hacen reaccionar en una zona de la cámara de calentamiento 12 con aire adicional y/o combustible adicional, donde esto se realiza preferentemente con oxidación sin llama. La zona mencionada está configurada en particular dentro del chorro de gas 21. Debido a la oxidación sin llama, también se evita una generación térmica de óxido de nitrógeno en la cámara de calentamiento 12.

Números de referencia

10 Dispositivo

11 Cámara de combustión

12 Cámara de calentamiento

13 Serpentín de calentamiento

14 Línea de combustible

15 Línea de aire

16 Paso de gas de reacción

17 Línea

18 Línea de gas escape

19-a Dispositivo de conducción de flujo

19 Vórtice de recirculación

20 Aire

21 Chorro de gas

22 Instalación

23 Intercambiador de calor

24 Salida

25 Entrada de aire fresco

26, 27 Dispositivo de regulación de flujo

28 Control

A Relación de aire

Al, A2, Amin, máx, Av Valores límite para la relación de aire

29 Dispositivo de regulación de flujo

30 Sensor de temperatura

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para el calentamiento de una cámara de calentamiento (12), cuya temperatura también se puede situar por debajo de la temperatura de autoignición del combustible utilizado, en el que el combustible y el aire se hacen reaccionar en una relación no estequiométrica en una cámara de combustión (11) y se transfieren a la cámara de calentamiento (12) sin desacoplamiento de calor útil como gas de reacción, y en el que el gas de reacción se oxida completamente en la cámara de calentamiento con la adición de aire y/o combustible según sea necesario, caracterizado porque la reacción es una oxidación sin llama.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la oxidación se lleva a cabo en la cámara de calentamiento (12) con formación de llama.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la oxidación se lleva a cabo en la cámara de calentamiento (12) mediante conducción de gas con recirculación a gran escala sin formación de llama.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la cámara de combustión (11) se ajusta una relación de combustible/aire no estequiométrica tal que en la cámara de combustión (11) no se supera una temperatura de 1400 °C.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la cámara de combustión (11) se ajusta por medio de ajuste o regulación de la relación de combustible/aire una temperatura que se sitúa entre 1000 °C y 1300 °C.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara de combustión (11) hace funcionar en modo de carga completa de forma sub-estequiométrica (A<1) y en modo de carga parcial de forma sobre-estequiométrica (A>1).

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque entre la relación de combustible/aire en el funcionamiento sobre-estequiométrico y la relación de combustible/aire en el funcionamiento sub-estequiométrico está fijado un rango (A1, A2) de relaciones de combustible/aire no utilizadas.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se extrae calor útil de la cámara de calentamiento (12).

9. Dispositivo (10) para el calentamiento de una cámara de calentamiento (12), con una cámara de combustión adiabática (11) que presenta, al menos, un dispositivo de suministro de aire (15), al menos un dispositivo de suministro de combustible (14) y, al menos, una salida (16), con una cámara de calentamiento (12), en la que desemboca la salida de la cámara de combustión y que está provista con un dispositivo de suministro para aire y/o combustible, caracterizado porque la cámara de combustión está concebida para la oxidación sin llama del combustible en una relación de combustible/aire no estequiométrica.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque la cámara de combustión (11) está configurada libre de estructuras retenedoras de llama.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, caracterizado porque la cámara de calentamiento (12) está provista con un dispositivo de desacoplamiento de calor (13).

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque aguas arriba de la cámara de combustión (11) y/o la cámara de calentamiento (12) está dispuesto un dispositivo intercambiador de calor (23) para el precalentamiento del aire.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque está previsto un dispositivo de regulación para la regulación del suministro de combustible y/o aire a la cámara de combustión y/o a la cámara de calentamiento, el cual está concebido para no exceder un límite superior de temperatura establecido en la cámara de combustión y/o en la cámara de calentamiento.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo de regulación está concebido para influir en la relación de combustible/aire para la regulación de temperatura.