BR112016002457B1

BR112016002457B1 - Conjunto queimador e método para combustão de combustível gasoso ou líquido para aquecer um forno industrial

Info

Publication number: BR112016002457B1
Application number: BR112016002457-5A
Authority: BR
Inventors: Andreas Munko; Hartmut Köhler
Original assignee: Outotec (Finland) Oy
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2021-07-13
Also published as: CA2919065C; CN105531541B; CA2919065A1; EP3030840A1; UY35691A; EP3030840B1; MX2016001497A; UA119241C2; WO2015018438A1; US10684010B2; BR112016002457A2; CN105531541A; EA201690258A1; EA030991B1; US20160201904A1

Abstract

conjunto queimador e método para combustão de combustível gasoso ou líquido. conjunto queimador e método para combustão de combustível gasoso e líquido. a invenção diz respeito a um conjunto queimador (1) e um método para combustão de combustível gasoso ou líquido para aquecer um forno industrial (19) tendo uma câmara de combustão (2), pelo menos uma entrada de ar de combustão principal (3) para o fornecimento de ar de combustão pré aquecido (4) na câmara de combustão (2), um queimador (5) com pelo menos uma alimentação de combustível (7) e pelo menos uma alimentação de ar (8) para fornecer combustível e ar primário na câmara de combustão (2), em que o queimador (5) é posicionado adjacente a uma zona de combustão da câmara de combustão (2) de modo que o ar de combustão (4) escoando na câmara de combustão (2) através da entrada de ar de combustão principal (3) está passando no queimador (5) na zona de combustão e é então defletido de modo que o fluxo do ar de combustão pré aquecido e os menores escoam do combustível e are primário estão escoando principalmente em paralelo do queimador (5) para o forno (9), e uma unidade de controle para controlar o fornecimento de combustível e talvez ar primário na câmara de combustão (2). a unidade de controle é adaptada para fornecer o combustível e/ou alimentação de ar (7,8) na câmara de combustão (2) com uma velocidade de saída maior que 150 m/s.

Description

[0001] A invenção diz respeito a um conjunto queimador e um método para combustão de combustível gasoso ou líquido, tal como gás ou óleo, para aquecer um forno industrial, em especial um forno de endurecimento de uma planta de pelotização da grelha itinerante comum. O conjunto de queimador possui uma câmara de combustão, pelo menos uma entrada de ar de combustão para o fornecimento de ar de combustão pré-aquecido para dentro da câmara de combustão, e um queimador (também chamado bloco queimador) com, pelo menos, uma alimentação de combustível e, pelo menos, uma alimentação de ar para o abastecimento de combustível e de ar primário na câmara de combustão, em que o queimador é posicionada adjacente a uma zona de combustão da câmara de combustão de tal modo que o ar de combustão que flui para dentro da câmara de combustão através da entrada de ar de combustão principal passando no queimador na zona de combustão e sendo então desviado (por exemplo, a uma parede da câmara de combustão) tal que o (em especial grandes) fluxo de ar de combustão pré-aquecido e os (em particular menor em comparação ao elevado fluxo de ar de combustão pré-aquecido) fluxos de combustível e ar primário escoam mais ou menos em paralelo a partir do queimador para o forno. O queimador pode de preferência ser montado em uma parede da câmara de combustão, a câmara de combustão, tipicamente sendo instalada no forno. De acordo com a invenção, o fluxo de combustível e ar primário são fornecidos a partir do queimador de preferência quase perpendicular ao fluxo principal de ar de combustão pré- aquecido antes do fluxo principal de ar de combustão pré- aquecido ser deflectido.

[0002] Associado ao queimador é de acordo com a invenção, uma unidade de controle (também referido como equipamento de controle) para o controle de, pelo menos, o fornecimento de combustível e de ar primário na câmara de combustão. Naturalmente, a unidade de controle pode ser adaptada para controlar outros parâmetros do processo, tais como o fluxo e/ou a temperatura do ar de combustão pré- aquecido ou a temperatura no interior do forno e a saída do queimador, por exemplo.

[0003] Queimadores padrão similares são frequentemente usados em conjuntos de queimadores, por exemplo, com fornos de endurecimento de pelotização de grade de viagem. Os queimadores utilizados comumente estabilizam a chama à direita na ponta do queimador com as aberturas de saída. Devido à elevada temperatura do ar de combustão, a qual tipicamente é de até 1000 °C, também a chama no interior da câmara de combustão é muito quente. Esta chama quente, tipicamente a uma temperatura máxima teórica de cerca de 2000 °C, faz com que uma emissão de NOx muito elevada e também pode levar a danos térmicos na parede da câmara de combustão. Tipicamente, a velocidade do fluxo de ar de combustão pré-aquecido a está no intervalo entre 15 a 25 m/s.

[0004] Devido aos esforços ambientais hoje em dia, os limites de emissão legalmente permitidos de NOx vão ser reduzidos ou já foram reduzidos levando ao problema que a utilização de queimadores convencionais em tais fornos industriais, e em particular nos fornos de plantas de endurecimento de pelotização, pode ser mais permitido sendo instalado em alguns países. No que diz respeito a emissões de NOx, os fornos de endurecimento produzem altos níveis de NOX devido à temperatura elevada no forno e a combustão de ar e combustível e oxidante de combustão em que o ar de combustão oxidante inclui tipicamente sem aquecimento do ar (primário), que acompanha o combustível e um muito maior quantidade de ar pré-aquecido intensamente alimentado para dentro da câmara de combustão por uma chamada para o canto de baixo (de combustão principal de entrada de ar). O combustível é injetado no ar de combustão e inflamado na ponta ou bico de queimador que leva a uma chama quente e estável visível na zona de combustão da câmara de combustão com uma temperatura máxima teórica de cerca de 2000 ° C.

[0005] A fim de reduzir a emissão de NOx, a US 8.202.470 B2 descreve uma estação de aquecimento semelhante (conjunto de queimador) de um forno de endurecimento, com uma passagem de ar que conduz para a estação de aquecimento. Um fluxo de ar de recirculação pré-aquecido é conduzido por meio de uma passagem para a estação de aquecimento, e é misturado com o gás combustível para formar uma mistura combustível que se inflama na passagem. Isto é conseguido através da injeção do gás combustível para dentro da passagem de um fluxo que não forma uma mistura combustível com o ar de recirculação pré-aquecido antes de entrar na passagem. O queimador tem proposto tubos misturadores para receber fluxos de combustível e ar primário de combustão que escoam através dos tubos do misturador para formar uma mistura combustível conhecida como pré-mistura. Esta pré-mistura tem uma proporção combustível-a-oxidante pobre que ajuda a evitar a produção de interação de NOx. Para este objetivo, a ignição é inicialmente realizada pela utilização de um dispositivo de ignição de uma zona de reação no interior da ponta externa dos tubos do misturador. A combustão prossegue então como a pré-mistura é injetada a partir da abertura do bocal ou dos tubos do misturador para dentro da câmara de combustão para misturar com o ar de combustão. O combustível na pré- mistura é, então, queimado na mistura de combustível com ar pré-misturado e ar da corrente descendente.

[0006] Este procedimento ajuda a reduzir a temperatura da chama como o combustível é misturado em uma proporção combustível-para-oxidante pobre do acendimento. Durante a continuação da combustão, o combustível é misturado com o ar de combustão a um canto para baixo levando a uma chama mais distribuída na câmara de combustão tendo uma temperatura de chama mais baixa.

[0007] No entanto, em comparação com queimadores padrão comuns usados hoje, o queimador proposto exige um certo nível de temperatura de pré-mistura de ar de combustão, a fim de evitar a autoignição e precisa de esforços especiais para o ar de combustão e de combustível de fornecimento de gás para o queimador e relacionadas com instrumentação.

[0008] É, consequentemente, um objeto da presente invenção consistir em propor um conjunto de queimador e método para a sua utilização, em particular para um forno de endurecimento de uma planta da grelha de pelotização transportada ou para fornos de aço de Sinterização (SBS™) ou sinterização da grelha de transporte tendo uma redução de emissões de NOx, o queimador sendo simples e durável na construção e utilizáveis em instalações existentes, sem grande reconstrução.

[0009] Este objetivo é conseguido com as características das reivindicações independentes 1 e 9. A fim de reduzir a emissão de NOx que são fornecidas de acordo com a invenção para fornecer o combustível e/ou o ar primário a partir da alimentação de combustível e/ou de alimentação de ar respectivamente, para a câmara de combustão com uma velocidade de saída mais elevada do que 150 m/s (metros por segundo). De preferência, a velocidade de saída do combustível e/ou o ar primário é superior a 200 m/s ou mesmo maior do que a velocidade do som do fluido. Uma modalidade muito preferida proporciona velocidades de saída do combustível e/ou o ar primário entre 250 m/s e a velocidade do som.

[0010] Verificou-se que com a invenção a uma velocidade muito alta de saída, em particular, do combustível de alimentação de combustível para dentro da câmara de combustão conduz a uma mistura forte e eficaz do combustível com o ar de combustão, que flui através da entrada de ar de combustão principal. Este ar de combustão é também chamado ar secundário. Devido à mistura eficaz do combustível com o ar de combustão secundário, bem como com o ar primário, o combustível é bem distribuído na câmara de combustão quando o combustível reage com o oxigênio no ar. Consequentemente, não há chama estável a quente a abertura de saída ou bico de alimentação de combustível ao bloco queimador tendo temperaturas de pico de chama até 2000 °C, mas uma assim chamada levantada ou uma chamada chama branda.

[0011] A chama levantada - em comparação com a chama padrão normal da abertura de saída ou bico no bloco do queimador - é posicionada a jusante da ponta do queimador e é uma área de grande ou chama grande, porque o combustível é mais amplamente distribuído na câmara de combustão e mais ar secundário é misturado. Assim, a chama (ainda visível) levantada está localizada na câmara de combustão, ou mesmo na entrada entre a câmara de combustão e o próprio forno, que está ligada à câmara de combustão. À medida que a chama é amplamente distribuída na área, a temperatura média da chama é muito mais baixa do que a temperatura da chama de um padrão, e os picos de temperatura são reduzidos. Isto reduz significativamente a emissão de NOx e aumenta a durabilidade da câmara de combustão como o refratário da câmara de combustão é termicamente menos estressado.

[0012] Para a chama branda, a combustão acontece ainda mais separada do queimador na câmara de combustão, ou mesmo no próprio forno, e não há nenhuma ou quase nenhuma chama visível. Consequentemente, esta combustão sem chama é uma reação do combustível com o oxigênio do ar quente de combustão pré-aquecido na câmara de combustão e/ou do ar de processo no forno em si, sem uma explícita ignição de uma chama. O ar de processo no forno deve ter uma quantidade de oxigênio na ordem de 16 a 18 % vol, enquanto que o ar de combustão pré-aquecido deve ter uma quantidade de oxigênio na ordem igual ao do ar ambiente, ou seja na ordem de 20,9 % vol. Estas são as quantidades padrão de oxigênio, por exemplo, para um processo de endurecimento de uma usina de pelotização.

[0013] Tanto a levantada e a chama branda tem, assim, uma temperatura média mais baixa e os picos de temperatura reduzidos, como não há nenhuma combustão de combustível concentrado em uma chama luminosa claramente definida. Verificou-se com a presente invenção, que está em contraste com por exemplo, a descrição da US 8.202.470 B2 não é necessária fornecer o combustível em posições diferentes na câmara de combustão, a fim de conseguir uma combustão faseada, mas é suficiente para fornecer o combustível e/ou o ar primário com uma velocidade muito alta de saída a partir da de combustível e/ou ar de alimentação para a câmara de combustão principal, onde o ar de combustão (o ar secundário) está passando o bloco queimador.

[0014] Naturalmente, é vantajoso se o ar primário fornecido à câmara de combustão juntamente com o combustível tem uma velocidade de saída comparável ao combustível. O ar primário, o que normalmente não é pré- aquecido e pode ter uma temperatura entre 20 °C e 100 °C, resfria a zona de reação possível diretamente em frente da abertura de saída (bico) da alimentação de combustível e ar, evitando assim uma ignição espontânea do combustível que conduz a um padrão de chama mais ou menos estável. Verificou-se ser vantajoso, se o ar primário tem pelo menos uma velocidade de saída semelhante como o combustível a ser fornecida, quando na câmara de combustão.

[0015] De acordo com uma modalidade preferida, a unidade ou equipamento de controle pode ser adaptada para aplicar, por meio de, por exemplo um compressor ou outro gerador de pressão a pressão de combustível e/ou o ar primário para atingir a velocidade de saída desejada. No caso de um gás combustível, tal como gás natural, um aumento de pressão, tipicamente preferido em relação à pressão atmosférica do gás combustível fornecido é de cerca de 2 bar, em particular, uma pressão na faixa de entre 0,8 a 4 bar. Um aumento tipicamente preferido da pressão do ar primário fornecido está no intervalo entre 2 a 3 bar, ou no intervalo de, pelo menos, entre 0,8 a 4 bar. No caso de um combustível líquido, tal como óleo, um aumento tipicamente preferida da pressão é entre 3 a 9 bar, quando usando um meio atomizador (de ar ou de vapor) com uma pressão de 5 a 11 bar, ou entre 14 a 20 bar quando se utiliza a pressão de atomização. De preferência, o combustível líquido é atomizado antes do fornecimento para dentro da câmara de combustão por um ar de atomização de alta pressão aplicado para a alimentação de combustível um pouco antes ou logo na abertura de saída ou bico da alimentação de combustível, conduzindo assim a uma injeção do combustível líquido como uma nuvem de gotículas. É, no entanto, de notar que a velocidade de saída depende fortemente do volume de saída das alimentações de ar e combustível, isto é, em especial, a forma da abertura de saída ou bico. Um perito na técnica poderia ajustar a pressão em conformidade, de modo a atingir as velocidades de saída desejadas.

[0016] Diferentes modelos e tipos de bicos de gás combustível e ar podem ser utilizados. A concepção mais simples de acordo com a invenção é um tubo de corte retilíneo. Também bocais incluindo uma abertura de entrada de 40 ° ou até bocais tipo Laval com projeto especial podem ser utilizados. Mais preferivelmente, são utilizados os bocais que oferecem uma baixa perda de pressão e uma alta velocidade de saída.

[0017] A velocidade de saída do combustível e o ar primário pode ser preferencialmente igual ou semelhante. No entanto, de acordo com a invenção, bem como a geometria do queimador do forno, a velocidade de saída do combustível e do ar primário (e/ou a pressão do ar e do combustível primário, em conformidade) também podem ser diferentes. Pode ser útil, que a velocidade e/ou a pressão do ar primário é maior do que a velocidade e/ou pressão do combustível. Em particular, a velocidade de saída do ar primário pode ser mais elevada por um fator de 1, 5 a 2,5, em particular por um fator de cerca de 2.

[0018] Verificou-se de acordo com a invenção, que um outro aspecto influencia e reduz a emissão de NOx durante a combustão de combustível no queimador é a relação entre o ar primário para combustível na alimentação de ar e combustível do bloco queimador. A fim de reduzir de forma significativa as emissões de NOx, o controle pode ser adaptado para fornecer o combustível e o ar primário para a câmara de combustão com uma razão de excesso de ar À de ar primário para combustível igual ou superior a 0,1.

[0019] A razão de ar em excesso À é definida como À = mar primário/mar primário, estequio mar primário : fluxo de massa de ar primário mar primário, estequio : fluxo de massa mínimo de ar primário requerido para a combustão completa (estequiometria) do combustível.

[0020] O ar primário resfria a zona de reação, em frente da abertura de saída ou bocal de alimentação de combustível e, portanto, evita uma ignição imediata do combustível antes da alimentação de combustível ou bloco queimador. De preferência, a razão de ar em excesso de ar primário para combustível situa-se entre 0,1 e 0,6 e mais preferencialmente entre 0,2 e 0,5. A relação refere-se à razão de excesso de ar À do fluxo de ar primário relacionado com o fluxo de combustível.

[0021] Verificou-se que é vantajoso que a proporção de excesso de ar é adaptada para a velocidade de saída do combustível e/ou o ar primário. Em particular, é preferido que a proporção de excesso de ar seja maior quanto menor é a velocidade de saída. Uma modalidade preferida da invenção é utilizar um intervalo da velocidade de saída do combustível e/ou o ar primário entre 250 m/s e a velocidade do som e um razão ar À de cerca de 0,2 a 0,3.

[0022] De acordo com uma modalidade preferida, o ar de combustão (o ar secundário) alimentado à câmara de combustão através da entrada de ar de combustão tem uma temperatura superior a 750 ° C e/ou uma concentração de oxigênio entre 17% e 21%, em particular entre 19% e 21%. A temperatura do processo de mais de 750 °C do ar de combustão e/ou forno é necessário para uma ignição e/ou reação do combustível com o oxigênio do ar para a combustão espontânea. Esta autoignição causará uma chama padrão, levantada ou branda. A modalidade preferida evita a estabilização da chama padrão, que vai ocorrer com um queimador padrão.

[0023] Consequentemente, em contraste com os queimadores conhecidos de baixo NOx utilizando o princípio da diluição da chama com uma quantidade elevada de (internamente) recirculação de gases de combustão a partir da própria combustão que contém apenas uma pequena quantidade de oxigênio, tipicamente de 1% a 7%, tal diluição não é possível para uma certos processos, tais como o de endurecimento em uma unidade de pelotização, porque os gases de combustão no próprio forno de endurecimento contém uma quantidade muito mais elevada de oxigênio de cerca de 17%, tal que conduz a uma reação (chama padrão) quando contactar o combustível fornecido à câmara de combustão. Além disso, a invenção não requer uma recirculação externa dos gases de combustão com baixo teor de O2 no ar de combustão, o que pode ser feito por ventiladores adicionais. Ambas recirculação interna e externa dos gases de combustão podem causar problemas devido a um certo teor de poeiras nos gases de processo.

[0024] De acordo com uma modalidade preferida do conjunto de queimador de acordo com a invenção, pode prever-se que o controle é adaptado, depois de uma primeira ignição do queimador, para fornecer o combustível e o ar primário a uma velocidade de saída mais baixa do que 150 m/s através da alimentação de combustível e o ar de alimentação, respectivamente, para dentro da câmara de combustão, até que o ar de combustão na entrada de ar de combustão principal e/ou da câmara de combustão tenha atingido uma temperatura superior a um valor de temperatura predefinida. Outro ou um critério adicional é até que o ar de processo no forno tenha atingido uma temperatura superior a um valor de temperatura predefinido. Até agora, uma combustão normal com um padrão de chama ocorre até que a temperatura tenha atingido a temperatura mínima requerida. Para este objetivo, a temperatura pré-definida é de preferência cerca de 750 °C, tal como mencionado antes. Ao exceder o valor de temperatura predefinido, por exemplo, 750 °C, o controle está adaptado para aplicar o combustível e ar primário a uma velocidade de saída mais elevada do que 150 m/s através da alimentação de combustível e a alimentação de ar para dentro da câmara de combustão. Em particular, a velocidade e a proporção de ar primário para o combustível (em especial, o excesso de razão de ar À) pode ser escolhido como descrito acima. O aumento da velocidade pode ser realizado através do aumento do fluxo de volume de gás combustível e/ou ar primário quando se utiliza as mesmas lanças de combustível/ar, ou por mudança de um tipo de lança proporcionando baixa velocidade para um segundo tipo de lança fornecendo uma velocidade elevada a uma constante de gás e/ou o fluxo de ar primário. Neste segundo modo operacional de uma chama levantada ou leve, o NOx é significativamente reduzido em comparação com um modo operacional, em que uma configuração de padrão de chama é utilizada o tempo todo.

[0025] De acordo com uma característica construtiva preferida, a alimentação de combustível e a alimentação de ar no queimador podem formar pelo menos um tubo de alimentação sob a forma de uma lança dupla tendo um tubo central e um tubo em torno em torno do tubo central com extremidades abertas no sentido da câmara de combustão. Este tipo de tubo é também chamado lança dupla. O tubo central pode ser preferencialmente utilizado para a alimentação de combustível e o tubo circundante pode ser preferencialmente utilizado para a alimentação de ar primário. No entanto, de acordo com a invenção, a utilização do tubo circundante e o central pode ser também vice-versa. No caso da utilização de mais do que um tubo de alimentação, um uso misto como descrito acima, é possível, ou seja, uma parte dos tubos de fornecimento pode ser utilizada com os tubos centrais para a alimentação de combustível e uma outra parte dos tubos de alimentação pode ser utilizada com o tubo central para a alimentação do ar primário. Dependendo da posição dos tubos de alimentação (lança dupla) em um bloco queimador, a utilização mista proposta dos tubos de fornecimento pode otimizar a mistura do combustível e do ar secundário (ar de combustão principal) na câmara de combustão.

[0026] As extremidades abertas do tubo central e o tubo circundante podem formar como abertura de saída de um bocal estruturado diferente a partir de uma extremidade simples de tubo aberto, a fim de influenciar o fluxo de ar e/ou o combustível primário de uma certa maneira, por exemplo, para melhorar a mistura do combustível e do ar primário e/ou secundário ou para modificar a velocidade de saída.

[0027] Uma modalidade preferida de um bocal estruturada tem uma abertura de entrada correspondente ao diâmetro interno do tubo circundante e uma abertura de saída com um diâmetro menor do que a abertura de entrada. O diâmetro da abertura de saída pode ser de cerca de metade do diâmetro da abertura de entrada. A parede interna do bocal estruturado pode ter uma superfície, pelo menos parcialmente, reduzindo de forma cônica. Esta forma aumenta a velocidade de saída e tem mostrado resultados positivos.

[0028] Em outra modalidade de acordo com a invenção, o bocal estruturado pode ter uma entrada de abertura correspondente ao diâmetro interno do tubo circundante e uma abertura de saída com um diâmetro maior do que a abertura de entrada. Como um exemplo, tais bicos podem ser bicos de tipo Laval que podem ser utilizados de acordo com a invenção.

[0029] De acordo com a invenção, o tubo de fornecimento pode ter um bocal estruturado com um único canal para o qual tanto o tubo central e o tubo circundante terminam. Consequentemente, o combustível e o ar primário fornecidos para dentro do bocal através de dois tubos diferentes, em particular um tubo central e um tubo circundante, estão escoando através de um e o mesmo canal do bocal antes de sair do bocal e do tubo de fornecimento, respectivamente, para a câmara de combustão.

[0030] De acordo com a invenção, o queimador pode ter mais do que um tubo de fornecimento. As modalidades preferidas podem ter de dois a seis tubos de alimentação ou lanças duplas.

[0031] De acordo com uma modalidade preferida da invenção, a entrada de ar de combustão principal pode ser um canto para baixo no qual o ar de combustão (o ar secundário) é guiado para baixo verticalmente e desviado em direção vertical, antes de entrar na câmara de combustão e no forno. Neste arranjo, o bloco queimador é preferencialmente posicionado de tal modo que o combustível e ar primário aplicados na câmara de combustão escoam linearmente através da câmara de combustão para o forno em linha com a direção principal de escoamento do ar de combustão desviada (ar secundário).

[0032] A invenção também se refere a um método para a combustão de combustível gasoso ou líquido, tal como gás natural ou petróleo, para aquecer um forno industrial, em especial de um forno de endurecimento de uma planta de pelotização, utilizando-se um conjunto de queimador, tal como descrito antes ou de suas partes. O conjunto de queimador utilizado de acordo com o método da invenção tem uma câmara de combustão, pelo menos uma página de entrada de ar de combustão para fornecer ar de combustão pré- aquecido para dentro da câmara de combustão, um queimador com, pelo menos, uma alimentação de combustível e, pelo menos, uma alimentação de ar para o fornecimento de combustível e ar primário para uma câmara de combustão, em que o queimador é posicionado adjacente a uma zona de combustão da câmara de combustão de tal modo que o ar de combustão, que flui para dentro da câmara de combustão através da de entrada de ar de combustão principal é passado ao queimador na zona de combustão e é, em seguida, defletido de tal modo que o fluxo de ar de combustão pré- aquecido e os fluxos de menores de combustível e ar primário são escoados principalmente em paralelo a partir do queimador para o forno. Além disso, associada ao queimador é uma unidade de controle para controlar o fornecimento de combustível e ar primário talvez para dentro da câmara de combustão. De acordo com a invenção, o combustível e/ou o ar primário é fornecido a partir da alimentação de combustível e/ou de ar para dentro da câmara de combustão com uma velocidade de saída mais elevada do que 150 m/s (metros por segundo). O método proposto pode usar todas as características descritas antes em relação ao queimador de acordo com a invenção. Consequentemente, estes aspectos da descrição anterior são válidas também para o método e não serão descritos outra vez em detalhe.

[0033] O método proposto pode também prever que o combustível e/ou o ar primário na alimentação de combustível e/ou a alimentação de ar são pressurizados para atingir a velocidade de saída, em particular, com uma pressão compreendida entre 0,8 a 4 bar para o combustível gasoso e 2 a 8 bar de combustível líquido. As velocidades de saída atingidas do combustível e o ar primário e/ou a pressão do combustível e o ar primário pode ser diferente. No entanto, é preferido que as velocidades sejam iguais (ou pelo menos semelhantes).

[0034] Um aspecto importante de reduzir a emissão de NOx da combustão é também a razão de ar primário para combustível durante o abastecimento do combustível e do ar primário na câmara de combustão. A razão de ar em excesso, tal como definida antes À deve ser maior do que 0,1, em particular entre 0,1 e 0,6 e mais preferencialmente entre 0,2 e 0,5.

[0035] Além disso, o ar de combustão pode ser alimentado de acordo com o método proposto para a câmara de combustão principal através da entrada de ar de combustão, com uma temperatura superior a 750 °C e/ou uma concentração de oxigênio entre 17% e 21%.

[0036] Os combustíveis líquidos podem ser injetados na câmara de combustão como uma nuvem de gotículas, o que pode de acordo com uma modalidade preferida ser alcançado por atomização de ar introduzido no tubo de fornecimento de combustível.

[0037] De acordo com uma modalidade preferida do método, também pode ser previsto que, depois da ignição do queimador, o combustível e o ar primário são fornecidos a uma velocidade de saída mais baixa do que 150 m/s através da alimentação de combustível e a alimentação de ar para a câmara de combustão até que o ar de combustão, na entrada principal do ar de combustão e/ou da câmara de combustão tenha uma temperatura mais elevada do que um valor de temperatura predefinido, por exemplo, 750 °C, tal como explicado antes. Somente após a temperatura exceder este valor pré-definido, o combustível e o ar primário são fornecidos a uma velocidade de saída mais elevada do que 150 m/s através da alimentação de combustível e a alimentação de ar para dentro da câmara de combustão. De preferência, a velocidade de saída pode estar no intervalo entre 250 m/s e a velocidade do som.

[0038] O queimador e método proposto tem a vantagem adicional de que o queimador pode trabalhar com uma chama padrão, bem como com uma chama levantada ou branda. Isto pode ser facilmente realizado utilizando diferentes razões de excesso de ar. Assim, uma razão de ar em excesso de ar primário para combustível menor do que 0,1 (À <0,1) está levando a um padrão de chama e uma razão de ar em excesso de ar primário a combustível maior do que 0,1 (À> 0,1 ) está levando a uma chama levantada (12) ou chama branda (13). Para ter um padrão de chama, ou seja, um modus queimador convencional, a velocidade de saída do combustível e/ou o ar primário pode ser de acordo com a invenção também mais lenta do que 150 m/s.

[0039] Outras características, vantagens e possibilidades de aplicação da invenção também podem ser feitas a partir da seguinte descrição de uma modalidade exemplar e o desenho. Todas as características descritas e/ou ilustradas formam o objeto da invenção, por si só ou em qualquer combinação, independentemente da sua inclusão nas reivindicações ou suas referências anteriores. No desenho: Fig. 1 mostra esquematicamente um corte através de um conjunto de queimador de acordo com uma modalidade preferida da invenção; Fig. 2 mostra esquematicamente diferentes tipos de chama do queimador atingível com o conjunto de queimador de acordo com a Fig. 1; Fig. 3 mostra esquematicamente um corte através de um forno de endurecimento com dois conjuntos de queimadores de acordo com a reivindicação 1; Fig. 4 mostra uma vista em perspectiva da parte traseira de um queimador com os tubos de mistura de acordo com uma modalidade preferida; Fig. 5 mostra uma vista em perspectiva a partir da parte da frente do queimador de acordo com a Fig. 4, com as aberturas dos tubos de alimentação direcionadas para dentro da câmara de combustão; Fig. 6 mostra um corte através de um tubo de fornecimento preferido de acordo com uma primeira modalidade; e Fig. 7 mostra uma seção de um tubo de fornecimento preferido de acordo com uma segunda modalidade.

[0040] Na Fig. 1 um conjunto de queimador 1 de acordo com uma modalidade preferida da invenção é mostrada em uma vista em corte. O conjunto de queimador 1 possui uma câmara de combustão 2, uma entrada de ar de combustão principal 3 para o fornecimento de ar de combustão pré- aquecido 4 para a câmara de combustão 2 e um queimador 5 posicionado em uma parede 6 da câmara de combustão 2 de forma a que o ar de combustão 4 que flui para a câmara de combustão 2 através da entrada de ar de combustão principal 3 é passado ao queimador 5. O queimador 5 tem, pelo menos, uma alimentação de combustível 7 e, pelo menos, uma alimentação de ar 8 para o fornecimento de combustível e de ar primário, respectivamente, para dentro da câmara de combustão 2 . Além disso, com o conjunto do queimador 1, uma unidade ou equipamento (não mostrada) de controle é fornecido para controlar o fornecimento de combustível e de ar primário na câmara de combustão.

[0041] A câmara de combustão 2 é aberta em direção ao forno industrial 9, em que o tratamento desejado do material é realizado.

[0042] De acordo com uma modalidade preferida da invenção, o forno industrial 9 é um forno de endurecimento com uma grelha 10 de transporte de uma planta de pelotização. Em uma tal instalação de pelotização, a principal admissão de ar de combustão é, tipicamente, do canto para baixo 3 através do qual o ar secundário, isto é, o ar de combustão pré-aquecido 4, está escoando para baixo para a câmara de combustão 2 passando assim o bloco queimador 5 e, em seguida, desviado verticalmente no forno 9 através da câmara de combustão 2. Na câmara de combustão 2, o combustível fornecido à câmara de combustão 2 através da alimentação de combustível 7 é misturado com ar de combustão pré-aquecido 4 construindo de uma chama para aquecer o forno 9 para a temperatura desejada.

[0043] Em um conjunto de queimador convencional 1, a chama na câmara de combustão 2 é um padrão de chama 11 (tal como mostrado na Fig. 2a). A chama padrão 11 apenas é inflamada na extremidade da alimentação de combustível 7 e aberta em direção à câmara de combustão 2. Consequentemente, o padrão de chama 11 está quase completamente contido no interior da câmara de combustão e tem uma forma tipo chama convencional, estável, enquanto que a chama padrão 11 é estabilizada muito perto da ponta do queimador. O pico de temperatura em tal um padrão de chama 11 é tipicamente maior do que 1500 °C, enquanto que a temperatura no forno 9 será de cerca de 1300 °C (pelo menos para um forno de endurecimento 9 de uma planta de pelotização).

[0044] Devido à elevada temperatura da chama, existe uma quantidade alta de NOx produzido pela chama. A fim de reduzir as emissões de NOx térmico, que seria necessário para reduzir a temperatura da chama branda e evitar temperaturas elevadas de pico.

[0045] A fim de alcançar este objetivo, a invenção propõe desestabilizar a chama padrão 11, como mostrado na Fig. 2a.

[0046] Em contraste com o estado da técnica propondo um queimador com uma combustão faseada e um fornecimento de combustível multiponto na câmara de combustão do queimador (ver US 8.202.470 B2), a invenção propõe-se a melhorar a velocidade de saída de, pelo menos, o combustível fornecido à câmara de combustão através da alimentação de combustível 7 do bloco queimador 5. Devido à elevada velocidade do combustível introduzido na câmara de combustão, a estabilização de uma chama padrão 11 direita na frente das aberturas de saída de combustível não é possível e que o combustível se mistura muito melhor com o ar secundário (ar de combustão pré-aquecido 4) antes da ignição.

[0047] Isto leva, pelo menos, a uma chama levantada 12, como mostrado esquematicamente na Fig. 2b sendo uma das chamas preferidas de acordo com a invenção. Esta chama levantada 12 cobre uma zona de reação maior do que a chama padrão 11 e proporciona uma temperatura mais igualmente distribuída no interior da chama como o combustível não está concentrado em torno do bocal da alimentação de combustível 7 do queimador 5, mas bem distribuída dentro da câmara de combustão 2, devido à grande mistura do combustível com o ar de combustão secundário 4. Consequentemente, a temperatura média da chama é reduzida e a chama é levantada a partir do queimador 5, na direção do fluxo de ar de combustão, para o forno 9. A chama levantada 12 é gerada na câmara de combustão 2 e pode atingir parcialmente para dentro do forno 9 mesmo.

[0048] No entanto, de acordo com a presente invenção, a chama mais preferida é uma chama forte ou branda levantada 13, como mostrado na Fig. 2c e Fig. 1.

[0049] Com a chama branda (ou fortemente levantada) 13, não há ou quase não visível a chama na câmara de combustão 2 ou o forno 9 em si. Em vez disso, o combustível reage com o ar pré-aquecido de combustão 4 (ar secundário) em uma reação sem chama mais ou menos, devido à elevada temperatura do ar secundário. Isto é conseguido por uma distribuição ainda maior do combustível no ar secundário de combustão 4, evitando assim zonas enriquecidas alimentando o ar de combustão que conduz para uma chama visível 11. A reação entre o combustível e o ar de combustão 4 regularmente acontece principalmente no final da câmara de combustão 2 e no forno em si 9. Consequentemente, a temperatura do meio desta reação através da zona de reação completa é muito mais baixa do que a temperatura média da chama no padrão 11, ou mesmo na chama levantada 12. De acordo com a presente invenção, isto é conseguido através da alta diluição com ar de combustão devido à velocidade de saída muito elevada do combustível para fora do alimentação de combustível 7 do bloco queimador 5 e/ou a razão de ar em excesso.

[0050] Por razões de clareza, nem todos os sinais de referência são reproduzidos nas Figs. 2b e 2c. Eles são considerados o mesmo que na Fig. 2a.

[0051] Além disso, com o combustível fornecido à câmara de combustão 2, o ar primário é alimentado através de uma alimentação de ar 8 no bloco queimador 5 para dentro da câmara de combustão 2. De um modo vantajoso, também o ar primário é fornecido para dentro da câmara de combustão 2, com uma velocidade de saída mais elevada de 150 m/s. O combustível e o ar primário podem ser alimentados para dentro da câmara de combustão, com a mesma velocidade de saída, que de preferência é maior do que 250 m/s. Naturalmente, é também possível ter as diferentes velocidades de saída do combustível e do ar primário.

[0052] Contrariamente ao que o ar secundário sendo um ar de combustão pré-aquecido a uma temperatura de cerca de 750 a 1000 °C, por exemplo, o ar primário tem uma temperatura ambiente baixa, como no intervalo de preferência de 20 °C a 100 °C quando está sendo fornecido para a câmara de combustão. O ar primário tem o efeito, que resfria a zona de reação possível em frente do combustível e do ar alimenta a câmara de combustão 2, evitando assim uma rápida ignição do combustível no ar de combustão pré- aquecido. Consequentemente, o combustível é transportado juntamente com o ar pré-aquecido de combustão 4 mais profundamente para dentro da câmara de combustão 2 do forno 9, que conduz a uma chama levantada 12, ou otimamente a uma chama branda 13 com nenhuma ou quase nenhuma chama visível.

[0053] Fig. 3 mostra uma seção transversal através de um forno de endurecimento 9 com uma grelha de transporte 10 e dois conjuntos de queimadores 1, como mostrado na Fig. 1. O ar de combustão pré-aquecido (ar secundário) é alimentado na câmara de combustão 2 e o forno 10 através de um canto para baixo 3 sendo a principal admissão de ar de combustão. Na Fig. 3, uma chama branda 13 é mostrada.

[0054] A fim de alcançar as velocidades de saída desejadas do combustível e do ar primário, o combustível e o ar primário podem ser pressurizados, controlados pela unidade do conjunto de queimador 1 de controle. Tipicamente, o combustível (gás) e o ar primário são pressurizados com um aumento de pressão preferido de cerca de 3 bar ou na gama de 0,8 a 4 bar.

[0055] O ar primário pode até ser pressurizado a um valor mais elevado, como 6 ou 7 bar.

[0056] Basicamente, quanto maior for a pressão do combustível e o ar primário é, quanto maior é a velocidade de saída do combustível e do ar primário e o melhor é a mistura do combustível com o ar de combustão pré-aquecido 4. A fim de atingir até bocais especiais de velocidades supersônicas, tais como bocais de tipo Laval, podem ser utilizados. Consequentemente, para atingir uma chama branda 13, a velocidade de saída e a pressão, respectivamente, serão maiores do que para uma chama levantada 12 no mesmo forno de queimador e matriz. Também um aumento da proporção de ar em excesso pode alterar o tipo de chama da chama levantada a chama branda.

[0057] Uma das grandes vantagens do conjunto de queimador descrito 1 é que o queimador 5 é capaz de produzir também uma chama padrão 11, por exemplo, quando aquecendo o forno 9 e a câmara de combustão 2 para a temperatura do processo, através do fornecimento do combustível e o ar primário com uma velocidade muito mais baixa abaixo de 150 m/s, assim, a obtenção de uma chama estável, se necessário.

[0058] Fig. 4 e 5 mostram um bloco de queimador 5 a partir da retaguarda (Fig. 4) e a partir da frente (Fig. 5), a parte dianteira sendo definida como o lado do bloco do queimador 5 direcionado para a câmara de combustão 2.

[0059] No interior do bloco queimador 5, são proporcionados vários tubos de alimentação 14, cada um em forma de uma lança dupla tendo um tubo central 15 e um tubo 16 circundante como evidente a partir do detalhe na Fig. 5.

[0060] De preferência, o tubo central 15 é utilizado como tubo de alimentação de combustível e o tubo envolvente 16 é utilizado como tubo de alimentação da alimentação de ar para o ar primário. Verificou-se, que esta configuração da alimentação de combustível 7 e a alimentação de ar 8 de uma lança dupla 14 é fácil de manusear e tem bons resultados no que diz respeito à mistura de combustível e ar primário para a combustão secundária ou ar pré-aquecido 4 na câmara de combustão 2.

[0061] Na Fig. 6, as aberturas do tubo central 15 e o tubo secundário 16 incluem um bocal com um diâmetro de abertura reduzido, mas que pode ser aberto simplesmente por um corte através dos tubos. No entanto, é possível prever na extremidade aberta do tubo 15 central e/ou o tubo circundante 16 bocais separados de combustível e de ar primário, ou mesmo um bocal comum para o combustível e de ar primário, como se mostra na figura 6 ou 7, a fim de influenciar a entrada, a mistura e o fluxo do combustível e do ar primário na câmara de combustão 2 de acordo com a forma desejada da chama e/ou a geometria do queimador 1 e/ou forno 9.

[0062] A fim de fornecer o combustível e o ar secundário sob pressão para dentro do tubo de alimentação 14, proporcionam-se - como é evidente a partir da Fig. 5 - uma primeira abertura 17 para o tubo central 15 e um segundo orifício 18 para o tubo 16 em torno de cada tubo de alimentação ou lança dupla 14.

[0063] Fig. 6 mostra uma vista em corte transversal de um tubo de alimentação ou lança dupla 14 com um tubo central 15 e o tubo circundante 16 e o respectivo primeiro orifício 17 para o tubo central 15 e o segundo orifício 18 para o tubo 16. Como é evidente da Fig. 6, a seção transversal das aberturas do tubo central 15 e o tubo circundante 16 são trazidos a uma determinada forma e volume, a fim de ser capaz de ajustar a velocidade de saída e a direção do combustível e do ar primário. De preferência, eles também ajustam a razão de excesso de ar primário e combustível.

[0064] Fig. 7 mostra um tubo de fornecimento 14, tal como descrito antes com um bocal estruturado 19 com um abertura de entrada 20 que corresponde ao diâmetro interno do tubo 16 em torno da lança dupla 14 e uma abertura de saída 21 com um diâmetro menor do que a abertura de entrada 20. O diâmetro da abertura de saída 21 pode ser de cerca de metade do diâmetro da abertura de entrada 10. A parede interna do bocal estruturado 19 tem parcialmente uma superfície 22 reduzindo em forma cônica. Esta forma aumenta a velocidade de saída e tem mostrado resultados positivos. O gás combustível e o fluxo de ar primário através do tubo central 15 e o tubo circundante 16 e através do bocal 21. Neste exemplo, o bocal tem apenas um canal comum para ambos, o combustível e o ar primário.

[0065] Testes mostraram, que a razão de ar em excesso de ar primário relacionada com o combustível deve ser preferencialmente de cerca de 0,2 a 0,5, a fim de atingir uma baixa combustão de Nox no queimador 1.

[0066] O conjunto de queimador proposto 1 e método são vantajosos porque o queimador em si 5 pode ser usado como queimador convencional 5 para produzir uma chama estável 11, bem como um queimador de NOx baixo produzindo uma chama levantada 12 ou chama branda 13 apenas alterando a velocidade de saída e/ou a razão de excesso de ar primário a combustível. Lista de sinais de referência 1 conjunto de queimador 2 câmara de combustão 3 entrada de ar de combustão principal, canto inferior 4 ar de combustão pré-aquecido (ar queimador, bloco queimador parede de câmara de combustão alimentação de combustível alimentação de ar para o fornecimento de ar primário 9 forno industrial, forno de endurecimento 10 grelha de transporte 11 chama padrão 12 chama levantada 13 chama branda 14 tubo de abastecimento, lança dupla 15 tubo central 16 tubo circundante 17 primeiro orifício para tubo central 18 segundo orifício ao tubo circundante 19 bocal estruturado 20 abertura de entrada 21 abertura de saída 22 superfície reduzindo conicamente

Claims

1. Conjunto queimador para combustão de combustível gasoso ou líquido para aquecer um forno industrial (9), o ar de processo em dito forno industrial tendo uma quantidade de oxigênio de 16% a 18%, o conjunto queimador (1) tendo: - uma câmara de combustão (2), - pelo menos uma entrada de ar de combustão principal (3) para o fornecimento de ar de combustão pré- aquecido (4) na câmara de combustão (2), - um queimador (5) com pelo menos uma alimentação de combustível (7) e pelo menos uma alimentação de ar (8) para fornecer combustível e ar primário em uma câmara de combustão (2), em que o queimador (5) é posicionado adjacente a uma zona de combustão da câmara de combustão (2), de modo que o ar de combustão (4) escoando na câmara de combustão (2) através da entrada de ar de combustão principal (3) está passando ao queimador (5) na zona de combustão e é então defletido de modo que o fluxo de ar de combustão pré aquecido e o menor fluxo de combustível e ar primário estão escoando em paralelo do queimador (5) para o forno (9), - e uma unidade de controle, caracterizado pelo fato de que (a) a unidade de controle é adaptada para fornecer o combustível e/ou o ar primário do combustível e/ou alimentação de ar (7, 8) na câmara de combustão (2) com uma velocidade de saída maior que 150 m/s, e com uma temperatura tipo ambiente do ar primário de 20°C a 100°C, e (b) é adaptado para fornecer ar de combustão (4) na câmara de combustão (2) tendo uma quantidade de oxigênio de ar ambiente e sendo pré-aquecido a uma temperatura de 750°C a 1000°C.

2. Conjunto queimador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle é adaptada para aplicar pressão ao combustível e/ou o ar primário para alcançar a velocidade de saída.

3. Conjunto queimador, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o controle é adaptado para fornecer o combustível e o ar primário na câmara de combustão (2) em uma razão de excesso de ar de ar primário a combustível maior que 0,1.

4. Conjunto queimador, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a razão de excesso de ar é adaptada à velocidade de saída do combustível e/ou o ar primário.

5. Conjunto queimador, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o controle é adaptado, após ignição do queimador, para fornecer o combustível e o ar primário com uma velocidade de saída menor que 150 m/s através da alimentação de combustível (7) e a alimentação de ar (8) na câmara de combustão (2) até o ar de combustão (4) na entrada de ar de combustão principal (3) e/ou na câmara de combustão (2) e/ou o ar de processo no forno alcançar uma temperatura maior que um valor de temperatura predefinido, e, excedendo o valor de temperatura predefinido, para fornecer o combustível e/ou o ar primário com uma velocidade maior que 150 m/s através da alimentação de combustível (7) e a alimentação de ar (8) na câmara de combustão.

6. Conjunto queimador, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a alimentação de combustível (7) e a alimentação de ar (8) forma pelo menos um tubo de fornecimento (14) na forma de uma lança dupla tendo um tubo central (15) e um tubo circundando (16) em torno do tubo central (15) com extremidades abertas na direção da câmara de combustão (2).

7. Conjunto queimador, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o tubo de fornecimento (14) tem um bocal estruturado (19) com uma abertura de entrada (20) correspondendo ao diâmetro interno do tubo circundando (16) e uma abertura de saída (21) com um diâmetro maior ou menor que a abertura de entrada (20).

8. Conjunto queimador, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o tubo de fornecimento (14) tem um bocal estruturado (19) com um canal único no qual ambos, tubo central (15) e o tubo circundante (16), terminam.

9. Método para combustão de combustível gasoso ou líquido para aquecer um forno industrial (9) usando um conjunto queimador (1) tendo uma câmara de combustão (2), pelo menos uma entrada de ar de combustão principal (3) para fornecer ar de combustão pré-aquecido (4) na câmara de combustão (2), um queimador (5) com pelo menos uma alimentação de combustível (7) e pelo menos uma alimentação de ar (8) para o fornecimento de combustível e ar primário em uma câmara de combustão (2), em que o queimador (5) é posicionado adjacente a uma zona de combustão da câmara de combustão (2) de modo que o ar de combustão (4) escoando na câmara de combustão (2) através da entrada de ar de combustão (3) está passando no queimador (5) na zona de combustão e é então defletido de modo que o fluxo de ar de combustão pré- aquecido e os escoamentos menores de combustível e ar primário estão escoando em paralelo do queimador (5) ao forno (9), e uma unidade de controle para controlar o fornecimento de combustível e ar primário na câmara de combustão (2), caracterizado pelo fato de que o combustível e o ar primário são fornecidos a partir do combustível e da alimentação de ar (7,8) na câmara de combustão com uma velocidade de saída maior que 150 m/s, e em que o ar de processo no forno (9) tem uma quantidade de oxigênio de 16 a 18 Vol-%, enquanto o ar de combustão pré-aquecido (4) deve ter uma quantidade de oxigênio de ar ambiente.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o combustível e/ou o ar primário na alimentação de combustível (7) e a alimentação de ar (8) são pressurizados para alcançar a velocidade de saída.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que a velocidade de saída de combustível e o ar primário são iguais ou diferentes.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que a razão de ar em excesso do ar primário a combustível durante o fornecimento de combustível e ar primário na câmara de combustão (2) é maior que 0,1.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que o ar de combustão (4) é alimentado na câmara de combustão (2) através da entrada de ar de combustão principal (3) com uma temperatura de mais que 750°C.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que após ignição do queimador, o combustível e ar primário são fornecidos com uma velocidade de saída menor que 150 m/s através da alimentação de combustível (7) e a alimentação de ar (8) na câmara de combustão (2) até o ar de combustão (4) na entrada de ar de combustão principal (3) e/ou na câmara de combustão (3) tem uma temperatura maior que um valor de temperatura predefinido, e que excedendo o valor de temperatura predefinido, o combustível e o ar primário são fornecidos através da alimentação de combustível (7) e a alimentação de ar (8) na câmara de combustão (2) em uma velocidade de saída maior que 150 m/s.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que o queimador (5) pode trabalhar com um filme padrão (11) bem como com um levantado (12) ou chama branda (13) que será realizada por uma razão de ar em excesso do ar primário a combustível menor que 0,1 levando a uma chama padrão (11), ou por uma razão de ar em excesso de ar primário a combustível maior que 0,1 levando a uma chama levantada (12) ou chama branda (13).