BR0209224B1

BR0209224B1 - "Sistema de combustão de combustível com oxigênio, e, método para operar um sistema de combustão"

Info

Publication number: BR0209224B1
Application number: BRPI0209224-7B1A
Authority: BR
Inventors: Dietrich M Gross
Original assignee: Jupiter Oxygen Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2014-04-08
Also published as: CA2393187A1; US20020190442A1; US6797228B2; AU2002252439B2; ZA200308111B; HRP20030934A2; CN1221760C; BR0209224A; LT5141B; RS50421B; US6818176B2; KR20080015522A; CA2461051C; TNSN03103A1; EP1746375A3; US20020180122A1; EP1325158A1; EP2290312A1; US6436337B1; KR20040015148A

Description

“SISTEMA DE COMBUSTÃO DE COMBUSTÍVEL COM OXIGÊNIO, E, MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE COMBUSTÃO” CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção se refere a um sistema de combustão de combustível com oxigênio. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um sistema de combustão de combustível com oxigênio em que a produção de gases de efeito estufa é reduzida e em que o consumo de combustível fóssil é reduzido, bem como a um método de combustão.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os sistemas de queimadores de combustível com oxigênio são conhecidos, porém seu uso é bastante limitado. Os sistemas de queimadores de combustível com oxigênio, em geral, são usados somente naquelas aplicações em que temperaturas de chama extremamente altas são requeridas. Por exemplo, esses sistemas podem ser usados na indústria de fabricação do vidro, a fim de obter as temperaturas necessárias para fundir a sílica até uma temperatura de fusão. De outro modo, é comumente aceito que limitações estruturais e de material ditam as temperaturas superiores às quais muitos sistemas industriais podem ser submetidos. Com essa finalidade, os sistemas de combustão de combustível com ar ou sistemas de combustão com queima de ar são usados em caldeiras, fornos e semelhantes na maioria das aplicações industriais, incluindo fabricação, geração de energia elétrica e outras aplicações de processo.

Em particular, os sistemas de combustão de combustível e ar ou sistemas de aquecimento elétrico são usados em todas as indústrias de fabricação de alumínio, bem como na indústria de geração de energia e outras indústrias que contam com combustíveis baseados em carbono. Em sistemas de combustível e ar, o ar, que é compreendido de cerca de 79% de nitrogênio e 21% de oxigênio, é alimentado, junto com o combustível, em um fomo. A

mistura de ar-combustível é inflamada, criando uma chama contínua. A chama transfere energia, na forma de calor, da mistura de ar - combustível para o fomo.

Nas indústrias do aço e do alumínio, fomos de combustível e ar e fomos elétricos têm sido usados como a fonte de calor primária para criar metais fundidos. Com relação aos fomos de combustível e ar, é aceito, convenientemente, que exigências de energia, equilibradas contra as limitações térmicas do equipamento do processo, obrigam ou apoiam fortemente o uso desses tipos de sistemas de combustão. Quanto ao uso de fomos elétricos na indústria do alumínio, mais uma vez, critério convencional suporta esse tipo de fonte de energia para obter as temperaturas necessárias para o processamento de alumínio.

Uma desvantagem para o uso de sistemas de combustão de combustível e ar é que esses sistemas produzem NOx e outros gases de efeito estufa, tais como dióxido de carbono, dióxido de enxofre e semelhantes, como um resultado inerente do processo de combustão. O NOx e outros gases de efeito estufa são grandes contribuintes para a poluição ambiental, incluindo, mas não limitado à mesma, a chuva ácida. Como tal, a redução na emissão de NOx e outros gases de efeito estufa é desejável e, como um resultado de restrições reguladoras, a emissão é grandemente limitada. Com essa finalidade, vários dispositivos devem ser instalados nesses sistemas de combustão, a fim de limitar e/ ou reduzir os níveis de NOx e outros gases de efeito estufa produzidos.

Outra desvantagem com relação aos fomos de combustível e ar é que muita da energia liberada do processo de combustão é absorvida ou usada para aquecer o nitrogênio gasoso presente no ar que é alimentado ao fomo. Essa energia é desperdiçada essencialmente pelo fato de que o gás nitrogênio aquecido é tipicamente, exaurido apenas da fonte de calor, por exemplo, o fomo. Com essa finalidade, muito dos custos com energia são dirigidos para o ambiente, através de uma chaminé para saída de gás ou semelhante. Outras desvantagens dos sistemas de combustão de combustível e ar conhecidos serão reconhecidas por aqueles habilitados.

Fomos elétricos também têm suas desvantagens. Por exemplo, inerente nesses sistemas está igualmente a necessidade de uma fonte de eletricidade que esteja disponível em uma base contínua, essencialmente, sem interrupção. Pelo fato de que grandes quantidades de energia elétrica são requeridas para operar fomos elétricos, tipicamente, é necessário ter esses fomos elétricos localizados em proximidade com as usinas elétricas geradoras e/ ou grandes serviços de transmissão elétrica. Além disso, fomos elétricos requerem uma quantidade considerável de manutenção para assegurar que os fomos são operados na ou quase na eficiência ótima. Além disso, inerente no uso de fomos elétricos é a ineficiência de conversão de um combustível em energia elétrica (a maioria das grandes estações de energia abastecidas por fóssil que usam turbinas a vapor operam em eficiências de menos do que cerca de 40 por cento e, em geral, menos do que cerca de 30 por cento). Além disso, essas grandes estações abastecidas por fóssil produzem quantidades extremamente grandes de NOx e outros gases de efeito estufa.

Por exemplo, na indústria de processamento de alumínio, e mais especificamente na indústria de recuperação de sucata de alumínio, o critério convencional é que temperaturas de chama em fomos devem ser mantidas entre cerca de 1371°C e 1648°C. É considerado que essa faixa obtém um equilíbrio entre a energia necessária para fornecimento de calor suficiente para fundir o alumínio em sucata e manter temperaturas de metal adequadas no banho fundido em cerca de 787°C. Fomos conhecidos utilizam desenho em que as temperaturas das chamas, tipicamente, não excedem 1648°C, a fim de assegurar a manutenção da integridade estrutural desses fomos. Isto é, considera-se que exceder esses limites de temperaturas pode enfraquecer a estrutura de suporte do forno, assim, possivelmente, resultando em acidentes catastróficos. Além disso, temperatura de chaminé para fomos convencionais são, em geral, cerca de 871°C. Desse modo, o diferencial de temperatura entre a chama e a exaustão é apenas cerca de 760°C. Isso resulta em uso ineficiente de energia para o processo de combustão.

Acredita-se que perdas de calor e dano potencial ao equipamento de fomos em que as temperaturas da chama excedem cerca de 1648°C são mais importantes do que qualquer eficiência operacional que possa ser obtida por temperaturas de chama mais altas. Desse modo, o novo critério convencional apóia completamente o uso de fomos de combustível e ar em que as temperaturas da chama estão em um limite superior de cerca de 1648°C (por estequiometria da chama), que assegura a integridade do forno e reduz as perdas de energia.

Conseqüentemente, existe uma necessidade de um sistema de combustão que proporcione as vantagens de redução da poluição ambiental (atribuível ao NOx e outros gases de efeito estufa) enquanto ao mesmo tempo proporciona uso eficiente de energia. Desejavelmente, esse sistema de combustão pode ser usado em uma ampla variedade de aplicações industriais, produção e processamento de metal e semelhantes. Esse sistema de combustão pode ser usado em aplicações de processamento de metal, por exemplo, alumínio, em que o sistema de combustão proporciona eficiência de energia aumentada e redução da poluição. Também existe uma necessidade, especificamente na indústria de processamento de sucata de alumínio, de equipamento de processo (especificamente fomos) que são projetados e configurados para resistir às temperaturas elevadas das chamas associadas com esse sistema de combustão eficiente e aumentar a eficiência de energia e reduzir a produção de poluição.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um sistema de combustão abastecido com oxigênio inclui um forno tendo um ambiente controlado e inclui pelo menos um queimador. O sistema de combustão inclui um suprimento de oxigênio para fornecimento de oxigênio tendo uma pureza predeterminada e um suprimento de combustível baseado em carbono para fornecimento de um combustível baseado em carbono. O presente sistema de combustão de combustível com oxigênio aumenta a eficiência de combustível consumido (isto é, requer menos combustível), produz NOx zero (outro que não de fontes transportadoras de combustível) e, significativamente, menos de outros gases de efeito estufa. O oxigênio e o combustível baseado em carbono são alimentados no fomo em uma proporção estequiométrica um para o outro a fim de limitar um excesso de oxigênio ou do combustível baseado em carbono em menos do que 5 por cento acima da proporção estequiométrica. A combustão do combustível baseado em carbono proporciona uma temperatura de chama acima de cerca de 2482°C e um fluxo de gás de escapamento do fomo tendo uma temperatura de não mais do que cerca de 593°C. O sistema de combustão, de preferência, inclui um sistema de controle para controlar o suprimento de combustível baseado em carbono e para controlar o suprimento de oxigênio para o fomo. O suprimento de oxigênio e combustível é controlado pela temperatura predeterminada do alumínio fundido. Nessa disposição, um sensor sente a temperatura do alumínio fundido. O combustível baseado em carbono pode ser qualquer tipo de combustível. Em uma concretização, o combustível é um gás, tal como gás natural, metano e semelhante. Altemativamente, o combustível é um combustível sólido, tal como carvão ou pó de carvão. Altemativamente ainda, o combustível é um combustível líquido, tal como um óleo combustível, incluindo óleos residuais.

Em um uso exemplificativo, o sistema de combustão é usado em um sistema de recuperação de sucata de alumínio para recuperar alumínio da sucata. Esse sistema inclui um fomo pra conter alumínio fundido em uma temperatura predeterminada, que tem pelo menos um queimador. O sistema de recuperação inclui um suprimento de oxigênio para suprimento de oxigênio para o fomo através do sistema de combustão. Para obter eficiência máxima, o suprimento de oxigênio tem uma pureza de oxigênio de pelo menos cerca de 85 por cento.

Um suprimento de combustível baseado em carbono fornece um combustível baseado em carbono. O oxigênio e o combustível baseado em carbono são alimentados no fomo em uma proporção estequiométrica. A combustão do combustível baseado em carbono proporciona uma temperatura de chama acima de cerca de 2482°C e um fluxo de gás de escapamento do fomo tendo uma temperatura de não mais do que cerca de 593°C.

Nesse sistema de recuperação, a combustão de oxigênio e combustível cria energia que é usada para recuperar alumínio da sucata em uma taxa de cerca de 1083 BTU por libra de alumínio recuperado. O combustível pode ser um gás, tal como gás natural, ou pode ser um combustível sólido ou um combustível líquido.

No sistema de recuperação, calor do fomo pode ser recuperado em um sistema de recuperação de calor residual. O calor recuperado pode ser convertido em energia elétrica.

Em um sistema mais preferido, o sistema de combustão inclui um sistema para fornecimento de oxigênio. Um desses sistemas separa ar em oxigênio e nitrogênio, tal como um sistema de separação criogênico. Outros sistemas incluem separação de membrana e semelhante. O oxigênio também pode ser proporcionado pela separação de água em oxigênio e hidrogênio.

Nesses sistemas, o oxigênio pode ser armazenado para uso conforme necessário. Outros sistemas são conhecidos para geração/ separação de oxigênio. O sistema de combustão de combustível com oxigênio, em geral, pode ser usado com qualquer forno que tenha um ambiente controlado.

Isto é, com qualquer forno que, substancialmente, não tenha fuga para dentro de um ambiente externo. Esse sistema de combustão inclui um suprimento de oxigênio para abastecimento de oxigênio tendo uma pureza predeterminada e um suprimento de combustível baseado em carbono para abastecimento de um combustível baseado em carbono. O oxigênio no suprimento de oxigênio e o combustível baseado em carbono são alimentados no forno em uma proporção estequiométrica em relação um ao outro para limitar um excesso do oxigênio ou do combustível baseado em carbono em menos do que 5 por cento acima da proporção estequiométrica. Nesse forno, um fluxo de gás de escapamento do forno tem compostos gasosos produzidos de combustível contendo nitrogênio substancialmente zero. Isto é, porque não há nitrogênio alimentado com o combustível, a menos que haja nitrogênio transportado no combustível, o gás de escapamento, substancialmente, não contém produtos de combustão contendo nitrogênio (isto é, NOx) e níveis significativamente diminuídos de outros gases de efeito estufa.

Esse sistema de combustão pode usar qualquer combustível baseado em carbono, incluindo gás, tal como gás natural ou metano, qualquer combustível sólido, tal como carvão ou pó de carvão ou qualquer combustível líquido, tal como óleo, incluindo óleos residuais e refinados. Nesse sistema de combustão, quaisquer compostos gasosos produzidos de combustão contendo nitrogênio são formados do nitrogênio transportado no combustível.

Um método para recuperar alumínio de sucata inclui alimentação de sucata de alumínio em um forno de fundição e oxigênio de combustão e um combustível baseado em carbono no forno. Na combustão do oxigênio e do combustível, o oxigênio e o combustível são alimentados no forno em uma proporção estequiométrica em relação um ao outro para limitar um excesso do oxigênio ou o combustível baseado em carbono em menos do que 5 por cento acima da proporção estequiométrica. A combustão proporciona uma temperatura de chama acima de cerca de 2482°C e um fluxo de gás de escapamento do forno tendo uma temperatura de não mais do que cerca de 593°C. O alumínio é fundido no fomo, alumínio carregado de contaminante é removido do fomo e alumínio fundido substancialmente puro é descarregado do fomo. O método pode incluir a etapa de recuperação de alumínio do alumínio carregado de contaminante, isto é, drosse, e carregando o alumínio recuperado no fomo. O método pode incluir a recuperação de calor residual do fomo. O calor residual recuperado pode ser convertido em eletricidade.

Um fomo para recuperação de alumínio de alumínio de sucata inclui uma região de banho para conter alumínio fundido em uma temperatura predeterminada e pelo menos um queimador. Um suprimento de oxigênio fornece oxigênio tendo uma pureza de pelo menos cerca de 85 por cento e um suprimento de combustível baseado em carbono fornece combustível, tal como gás natural, carvão, óleo e semelhante. O oxigênio no suprimento de oxigênio e o combustível são alimentados no fomo em uma proporção estequiométrica em relação um ao outro para limitar um excesso do oxigênio ou do combustível em menos do que 5 por cento acima da proporção estequiométrica. A combustão do combustível proporciona uma temperatura de chama acima de cerca de 2482°C e um fluxo de gás de escapamento do fomo tem uma temperatura de não mais do que cerca de 593°C.

Em uma concretização, o fomo é formado de chapa de aço, vigas de aço e materiais refratários. As paredes do fomo são configuradas tendo uma viga de aço e invólucro de chapa, pelo menos uma camada de um material de isolamento triturável, pelo menos uma camada de um tijolo refratário e pelo menos uma camada de um material refratário vazável. O chão do fomo é configurado tendo uma viga de aço e invólucro de chapa e pelo menos duas camadas de material refratário, pelo menos uma das camadas sendo um material refratário vazável.

Um método isento de sal para separar alumínio do alumínio carregado de drosse também é divulgado que inclui as etapas de introdução do alumínio carregado de drosse em um fomo. O fomo tem um sistema de combustão de combustível com oxigênio produzindo uma temperatura de chama de cerca de 2760°C e, substancialmente, não tendo oxigênio em excesso. O alumínio carregado de drosse funde dentro do fomo.

Uma porção superior do alumínio fundido carregado de drosse é escumado para produzir um produto pesadamente carregado de drosse. O produto pesadamente carregado com drosse é prensado em uma prensa mecânica para separar o alumínio do produto pesadamente carregado com drosse para produzir um produto concentrado pesadamente carregado com drosse. O método pode incluir a etapa de retomo do produto concentrado pesadamente carregado com drosse para o fomo. A introdução do alumínio carregado com drosse no fomo é realizada batendo direto perto da chama para liberar os óxidos do drosse.

Essas e outras características e vantagens da presente invenção serão evidentes da descrição detalhada seguinte, em conjunto com as reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

Os benefícios e vantagens da presente invenção se tomarão mais completamente evidentes para aqueles de habilidade comum na técnica relevantes após a análise da descrição detalhada seguinte e dos desenhos anexos, em que: A figura 1 é um fluxograma geral de um processo exemplificativo de recuperação de sucata de alumínio tendo um fomo de fusão com um sistema de combustão de combustível com oxigênio, em que a produção de gases de efeito estufa e o consumo de combustível são reduzidos, concretizando os princípios da presente invenção; A figura 2 é um fluxograma de uma operação de processamento de drosse continuada da figura 1, tendo um forno de recuperação tendo um sistema de combustão de combustível com oxigênio, concretizando os princípios da presente invenção; A figura 3 é um trem de suprimento de gás natural exemplificativo e trem de suprimento de oxigênio para uso com o sistema de combustão abastecido com oxigênio; A figura 4 é um esquema global de instalação, mostrando o suprimento de oxigênio, de uma instalação criogênica, e fluxo para os fomos, e ainda ilustrando uma instalação de recuperação de calor residual exemplificativa; A figura 5 é uma ilustração esquemática de um fomo de fusão de alumínio para uso com o sistema de combustão de combustível com oxigênio de acordo com os princípios da presente invenção; A figura 6 é uma vista lateral do fomo da figura 5; A figura 7 é uma vista frontal do fomo de fusão da figura 6;

As figuras 8 e 9 são ilustrações seccionais transversais parciais de uma parede lateral e um chão do fomo, respectivamente; A figura 10 ilustra um conjunto de queimador para uso com o sistema de combustão de combustível com oxigênio; A figura 11 é uma ilustração esquemática de um sistema de controle exemplificativo para uso com um sistema de combustão de combustível com oxigênio da presente invenção; A figura 12 é uma vista esquemática de uma caldeira de força ou parede dianteira de fomo, ilustrando um queimador e uma disposição de alimentação de ar e mostrando a incorporação de um sistema de combustão de combustível com oxigênio nele concretizando os princípios da presente invenção; e A figura 13 é uma ilustração esquemática de um incinerador residual mostrando a incorporação de um sistema de combustão de combustível com oxigênio que concretiza os princípios da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Embora a presente invenção seja suscetível de concretização em várias formas, é mostrada nos desenhos e será aqui descrita depois uma concretização presentemente preferida, com a compreensão de que a presente exposição deve ser considerada um exemplo da invenção e não é pretendido limitar a invenção à concretização específica ilustrada. Deve ser ainda compreendido que o título da presente seção desta especificação, a saber, "Descrição Detalhada da Invenção", se refere a uma exigência do Departamento de Patente dos Estados Unidos e não implica, nem será inferido limitar a matéria em questão aqui divulgada.

Um sistema de combustão de combustível com oxigênio usa, essencialmente, oxigênio puro, em combinação com uma fonte de combustível para produzir calor, por meio de produção de chama (isto é, combustão), de maneira eficiente, não adversa, ambientalmente. Oxigênio, que é fornecido por um agente oxidante, em concentrações de cerca de 85 por cento a cerca de 99+ por cento pode ser usado, porém, é preferível ter concentração de oxigênio (isto é, pureza de suprimento de oxigênio) tão alta quanto possível. Nesse sistema, oxigênio de alta pureza é alimentado, junto com a fonte de combustível em proporções estequiométricas, em um queimador em um forno. O oxigênio e o combustível são inflamados para liberar a energia armazenada no combustível. Para fins da presente exposição, referência ao forno deve ser amplamente interpretada para incluir qualquer gerador de calor industrial ou comercial que queima combustíveis fósseis (baseados em carbono). Em um sistema preferido, a concentração de oxigênio ou pureza é tão alta quanto praticável para reduzir a produção de gases de efeito estufa. É considerado que essencialmente qualquer fonte de combustível pode ser usada. Por exemplo, em uma presente aplicação, como será descrito em mais detalhes abaixo, oxigênio é alimentado junto com gás natural, para combustão em um forno. Outras fontes de combustível consideradas incluem óleos, incluindo refinados, tais como óleos residuais, madeira, carvão, pó de carvão, refugo (resíduo de lixo) estequiométrica semelhantes. Aqueles habilitados na técnica reconhecerão a miríade de fontes de combustível que podem ser usadas com o presente sistema de oxi- combustível. O presente sistema se afasta dos processos convencionais em duas áreas principais. Primeiro, os processos de combustão convencionais usam ar (como um agente oxidante para fornecimento de oxigênio), em lugar de oxigênio essencialmente puro, para combustão. O componente de oxigênio do ar (cerca de 21 por cento) é usado em combustão, enquanto os componentes restantes (essencialmente nitrogênio) são aquecidos no forno e esgotados do mesmo. Segundo, o presente processo usa oxigênio em uma proporção estequiométrica para o combustível. Isto é, apenas oxigênio suficiente é alimentado em proporção ao combustível para assegurar combustão completa do combustível. Desse modo, nenhum oxigênio em "excesso" é alimentado no sistema de combustão.

Muitas vantagens e benefícios são obtidos usando o presente sistema de combustão. Tem sido observado, como será descrito abaixo, que o consumo de combustível, para produzir uma quantidade equivalente de energia ou calor é reduzido, em certas aplicações, em tanto quanto 70 por cento. Significativamente, isso pode proporcionar uma redução tremenda na quantidade de poluição que resulta. Mais uma vez, em certas aplicações, a emissão de NOx pode ser reduzida para essencialmente zero e a emissão de outros gases de efeito estufa reduzida em tanto quanto cerca de 70 por cento em relação aos sistemas de combustão de ar - combustível convencionais.

Processo Exemplificativo de Recuperação de Sucata de Alumínio Em um uso específico, o sistema de combustão de combustível com oxigênio (também referido como oxi-combustível ou combustível com oxi) é usado em uma instalação de recuperação de sucata de alumínio 10. Um processo de fluxo para uma instalação exemplificativa é ilustrada nas figuras 1 - 2. Sucata de alumínio, indicada, de um modo geral, em 12, é alimentada em um forno de fusão 14 e é liquefeita. A instalação 10 pode incluir múltiplos fomos operados em paralelo 14, um dos quais está ilustrado. O alumínio liquefeito ou fundido é extraído de fomo de fusão 14 e é alimentado em um fomo de espera ou suporte 16. O fomo de espera 16 também é um fomo de combustível com oxigênio. O alumínio fundido é extraído do fomo de fusão 14 conforme necessário, para manter um certo nível predeterminado no fomo de espera 16. Isso pode resultar em extração continuamente do fomo de fusão 14 ou extração em "bateladas", conforme requerido.

No fomo de espera 16, cloro e nitrogênio (como gás), conforme indicado e 18 e 20, respectivamente, são alimentados no fomo de espera 16 para facilitar a extração de impurezas do alumínio fundido. A função do cloro e do nitrogênio como um agente formador de fluxo gasoso para extrair as impurezas do alumínio. Isso também pode ser realizado nos fomos de fusão 14 para aumentar a limpeza de sucata oleosa ou suja. Outros agentes formadores de fluxo considerados incluem hexafluoreto de argônio gasoso. O suporte 16 é aquecido ativamente e opera em uma temperatura de metal fundido de cerca de 704°C. A temperatura do ar no suporte 16 é ligeiramente mais alta. O alumínio fundido é, então, filtrado. Presentemente, um filtro de partículas do tipo bolsa 22 é usado. Contudo, outros tipos de filtros são conhecidos e podem ser usados. O alumínio fundido, filtrado, é, então, alimentado através de um degaseificador 24.

No degaseificador 24, um agente formador de fluxo, tal como um gás inerte (mais uma vez, nitrogênio é usado, conforme indicado em 26) é alimentado no alumínio fundido. O alumínio fundido é agitado, tal como por um agitador mecânico 28, e o agente formador de fluxo 26 borbulha através do alumínio fundido para extrair impurezas (por exemplo, óxidos) do alumínio. O alumínio fundido é, então, alimentado no fimdidor 30 em linha. No fimdidor 30, o alumínio é fundido em placa contínua. A espessura do fundido pode ser qualquer uma de 0,25 mm até 19,05 mm ou mais. O alumínio pode, então, ser laminado em uma bobina, conforme indicado em 32, para uso ou processamento posterior. Em um método presente, o alumínio procede do fimdidor 30 através de um par de máquinas de laminação a quente 34, onde a placa é laminada até uma espessura ou calibre final, presentemente, cerca de 2,8 mm (82 mil) e é, então, laminada para formar a bobina 32. Aqueles habilitados na técnica compreenderão e apreciarão os vários processos finais de formação e acabamento, que podem ser realizados no metal. Todos esses processos de formação e acabamento estão dentro do escopo e do espírito da presente invenção.

Retomando ao fomo de fundição 14, conforme mencionado acima, é um fomo de oxi-combustível. Ele é alimentado com um combustível baseado em carbono, tal como gás natural, em proporção estequiométrica com oxigênio. Isso é diferente dos fomos conhecidos que usam misturas de combustível e ar. As misturas de combustível/ ar alimentam nitrogênio bem como oxigênio no fomo para suportar o processo de combustão. Isso resulta na produção de gases isentos de NOx indesejáveis. Além disso, o nitrogênio também absorve energia do alumínio fundido, assim, reduzindo a eficiência global do processo. Isto é, porque a percentagem de nitrogênio no ar é tão grande, uma grande quantidade de energia entra no aquecimento do nitrogênio em lugar de no do alumínio.

As proporções de oxigênio/ gás natural nos presentes fomos de fusão e de espera 14, 16 são cerca de 2,36:1. Essa proporção variará, dependendo da pureza do suprimento de oxigênio e da natureza do combustível. Por exemplo, sob perfeitas condições de 100 por cento de oxigênio puro, a proporção é calculada, teoricamente, para ser 2,056:1.

Contudo, o suprimento de oxigênio pode ter até cerca de 15 por centro de constituintes não-oxigênio e gás natural não é sempre 100 por cento puro.

Como tal, aqueles habilitados na técnica apreciarão e compreenderão que as proporções podem variar ligeiramente, mas a base para cálculo das proporções, isto é, as proporções estequiométricas de combustível e oxigênio, permanece verdadeira.

Essa proporção de oxigênio para combustível proporciona um número de vantagens. Primeiro, essa estequiometria proporciona combustão completa do combustível, assim, resultando em menos monóxido de carbono, NOx e outras emissões de gases nocivos (outros gases de efeito estufa, em geral). Além disso, as proporções controladas de oxigênio também reduzem a quantidade de óxidos presentes no alumínio fundido. Isso, por sua vez, proporciona um produto final de alumínio de maior qualidade e menos processamento para remover esses contaminantes de oxido indesejáveis. r E importante não notar que o controle preciso da proporção de oxigênio para combustível assegura queima completa do combustível. Isso está em contraste perfeito, por exemplo, com instalações de energia abastecidas por combustível fóssil (por exemplo, instalações de energia de utilitários), que lutam com a LOI (perda na ignição). Essencialmente, a LOI se equipara a uma queima incompleta do combustível. No presente método, por outro lado, oxigênio substancialmente puro, em proporção estequiométrica rigorosamente controlada para o combustível, minimiza e possivelmente elimina, essas perdas. Além disso, no presente método, o único NOx teórico disponível é do NOx transportado no combustível, em lugar daquele que podería, de outro modo, resultar da combustão usando ar. Desse modo, NOx, se não completamente eliminado, é reduzido a uma quantidade insignificante comparado com os sistemas de combustão convencionais. r Oxidos de alumínio vêm de duas fontes principais. Primeira, do processo de combustão; segunda, dos óxidos que residem no alumínio.

Isso é assim particularmente com grau pobre de metal primário ou de sucata. O presente processo leva em consideração ambas essas fontes de óxidos e reduz ou elimina seu impacto sobre o produto final de alumínio. Primeiro, o presente processo reduz óxidos que poderíam se formar como um resultado do oxigênio alimentado para a combustão do combustível. Isso é obtido pelo controle rigoroso do oxigênio alimentado para apenas aquele necessário pela proporção estequiométrica para combustão completa do combustível. O presente processo leva em consideração as segundas fontes de óxidos (que residem no alumínio) e remove esses óxidos em virtude dos processos de degaseificação e filtragem. Os benefícios são dobrados,. O primeiro é que menos subproduto na forma de drosse D é formado; segundo, a qualidade do produto acabado é acentuada grandemente.

Também tem sido verificado que o uso de uma mistura de combustível/ oxigênio (mais uma vez, em lugar de uma mistura de combustível/ ar) resulta em temperaturas da chama mais altas no forno de fusão. Usando oxi-combustível, as temperaturas das chamas no forno de cerca de 2760°C são obtidas. Isso é maior, em cerca de 815,6°C a 1093°C, do que outros fomos conhecidos. Também tem sido observado que usando oxi- combustível, em conjunto com essas temperaturas de chama mais altas, resulta em um processo extrema e altamente eficiente. Em uma medida de eficiência, a energia requerida (em BTU) por libra de alumínio processado é medida. Em um processo conhecido, a energia requerida é cerca de 3620 BTU/lb de produto processado. No presente processo e aparelho, as exigências de energia são consideravelmente menores, cerca de 1083 BTU/lb de metal processado. Deve ser notado que, embora o "combustível" discutido acima em referência ao presente método seja gás natural, qualquer combustível baseado em orgânico, tal como óleo (incluindo óleo residual), carvão, pó de carvão e semelhantes pode ser usado.

Para fins de compreensão da termodinâmica do processo, a energia teórica requerida para fundir uma libra de alumínio é 504 BTUS.

Contudo, como ineficiências específicas do processo são inerentes, a foi verificado que a energia real requerida é cerca de 3620 BTU/lb, quando do uso de um sistema de combustão com queima de ar. Essas ineficiências incluem, por exemplo, períodos de processamento real sendo menores do que o tempo real em que o fomo é "queimado" e outras mudanças a jusante do processo, como a largura do fundidor, aumenta ou diminui. Além disso, outras "perdas", tais como perdas de chaminé (calor) e perdas de calor através das paredes do fomo se somam a essa diferença de energia.

Além disso, o valor de 1083 BTU/lb é uma exigência de energia média mesmo levando em conta essas "perdas". Foi verificado que, quando o processo está se realizando em uma alta taxa de eficiência, isto é, quando o alumínio é processado quase continuamente, em lugar de manter o fomo "queimado" sem processamento, a exigência de energia "média" pode ser reduzida para cerca de 750 BTU/lb a cerca de 900 BTU/lb. O Forno de Fundição Um presente fomo de fusão 14 é construído principalmente de aço e materiais refratários. Fazendo referência às figuras 5 - 9, o invólucro do fomo 42 tem dimensões externas de cerca de 20 pés de largura por 40 pés de comprimento por 12 pés de altura. A estrutura de invólucro de aço 42 é formada de placas e vigas. Placas e vigas serão identificadas como 44 e 46, respectivamente, para a estrutura de invólucro de fomo 42, exceto como indicado. O chão 48 é fabricado de aço de uma placa 44 de meia polegada (12,7 mm) de espessura, que é soldada junto. Cada solda fica acima de uma viga 46 para assegurar a integridade do invólucro do forno 42.

Vigas adicionais 46 são proporcionadas para suporte de chão de forno 48. Cada viga 46 proporciona um flange de 8 polegadas (20,3 cm) de largura aproximadamente a cada 18 polegadas (45,7 cm) no centro. Todas as vigas 46 (exclusive as vigas de junção que são completamente soldadas continuamente) são soldadas por pontos na placa de fundo 50. Isso permite o "desenvolvimento" no aço devido à expansão térmica durante o aquecimento.

As vigas 46 proporcionam suporte e rigidez ao fundo do fomo 52. As vigas 46 mantêm o fomo 14 rígido para reduzir a flexão durante a instalação do refratário e o uso a longo prazo. AS vigas 46 também proporcionam suporte de modo que durante a operação do fomo 14 o carregamento mecânico nos materiais refratários é minimizado. As vigas 46 também elevam o fundo do fomo 52 do chão em que o fomo 14 é montado.

Isso permite que calor, que se acumula sob o fomo 14, escape.

As paredes laterais do fomo 54 são igualmente feitas de uma construção de placa de aço e viga. Duas regiões de paredes são reconhecidas, acima da linha de metal e abaixo da linha de metal. Essa distinção é feita para considerações de resistência e valor térmico.

Abaixo da linha de metal a placa tem 3/4 de polegada (1,9 cm) de espessura. Acima da linha de metal, a placa tem 5/8 de polegada (1,6 cm) de espessura. No presente fomo, os primeiros oito pés são considerados (para fins de desenho) abaixo da linha de metal e os quatro pés superiores são considerados (para fins de desenho) acima da linha de metal.

As vigas 46 são usadas para suportar as paredes laterais 54 do fomo 14. As vigas 46 são colocadas em linhas centrais de 18 polegadas (45,7 cm) que se estendem verticalmente ao longo do fomo 14. Vigas horizontais 46 são colocadas em centros de 18 polegadas (45,7 cm)abaixo da linha de metal e centros de 24 polegadas (60,96 cm) acima da linha de metal. Embora a linha de metal no fomo 14 varie, é, por considerações de desenho, o nível mais alto de metal que estar no fomo 14 durante operação normal. Fatores adicionais podem ser considerados, em que, por exemplo, a linha de metal pode ser suposta como estando nove polegadas (22,5 cm) acima da linha de enchimento máxima do fomo 14. O teto 56 do fomo 14 é um desenho de reffatário pendente. As vigas 46 estão em centros de 18 polegadas (45,7 cm)ao longo da largura do fomo 14. Vigas adicionais 46 são soldadas às vigas que se estendem através da largura, vigas adicionais essas que são orientadas ao longo do comprimento do fomo 14. Grampos são montados nas vigas, nos quais blocos reffatários pré-fundidos são montados. O fomo 14 tem duas portas principais 58 no lado de fomo 54.

As portas 58 são usadas durante operação para escumar ou limpar a câmara de calor principal do fomo ou área de banho 60 e para carregamento da câmara principal 60 do fomo. O drosse D (a escória de contaminante que se forma da superfície de alumínio fundido) se acumula no interior do fomo 14 e deve ser limpo pelo menos uma vez por dia para manter as taxas de transferência de calor. O drosse D é removido pela abertura das portas 58 e escumando a superfície da poça de metal fundido.

Embora durante operação típica, metal ou sucata seja colocado no poço de carga 62 e seja, subseqüentemente, fundido e transferido para a câmara de calor 60 do fomo, alguns tipos de sucata, tais como gusa ou lingote, são colocados melhor diretamente na câmara de calor principal 60. As portas 58 podem ser abertas para transferir esses tipos de cargas para a câmara de calor 60.

As portas 60 são construções de aço e reffatário. As portas 60 são pendentes em um sistema de polia mecânica (não mostrado) e são protegidas por correntes de segurança para impedi-las de cair no chão no caso de o sistema de polia falhar. Guinchos acionados são usados para operar as portas. As portas 60 são pendentes de um elemento transversal comum, que é suportado do lado 54 do forno 14. O poço de carga principal 62 está localizado na frente 64 forno 14. O poço 62 é dividido a partir da câmara de calor do forno 60 e é dividido em duas áreas; uma área de carregamento 66; e uma área de bomba de circulação 68. Uma bomba de circulação 70 circula metal da poça quente do alumínio fundido na câmara principal 60 para a área de carregamento de sucata 62. Há três aberturas, indicadas em 72, 74, 76, entre as câmaras 60, 66 e 68. A primeira abertura 72 está na divisão entre a câmara principal 60 e o poço de bomba 68. A segunda abertura 74 está na divisão entre o poço de bomba 68 e a área de carregamento de sucata 66. A terceira abertura 76 está na divisão entre o poço de carga 66 e a câmara de calor principal 60.

Todas as aberturas 72, 74, 76 estão, aproximadamente, a um pé abaixo da linha de metal física ou real do forno 14. As aberturas 72, 74 e 76 estão abaixo da linha de metal para manter o calor no interior da câmara principal 60 e impedir o fluxo de óxidos entre as áreas divididas do forno 14 e manter o forno hermético (isto é, manter um ambiente controlado dentro do forno 14). A bomba 70 está localizada em uma área elevada para impedir lixo excessivo no forno, pedras e drosse de se acumularem na bomba 70 e em tomo dela.

Um chapéu de chaminé para escapamento 78 é posicionado acima da câmara de carga 66. O chapéu de chaminé 78 é fabricado de aço e é montado em vigas 46 similares àquelas das quais as paredes laterais 54 são fabricadas. As vigas 46 são posicionadas em uma placa que cobre a parede lateral do poço, essencialmente cobrindo-a. O chapéu de chaminé 78 ventila a câmara principal do fomo 60 através de uma chaminé 80 (veja a figura 4). A chaminé 80 escapa gases do fomo 14 e pode ser fechada para manter a pressão no fomo 14.

Os gases de escapamento saem do fomo 14 e circulam para uma câmara dos sacos de filtragem 82 (Figura 4). A câmara dos sacos de filtragem 82 é usada principalmente para coleta de carbono não queimado de tintas, óleos, solventes e semelhantes inerentes ao processamento de sucata de alumínio. O forno 14 inclui quatro queimadores de oxi-combustível 84.

Os queimadores 84 são instalados em uma parede lateral 54 do forno 14, oposto às portas 58. Aço é construído, circundando os queimadores 84 para permitir a montagem dos queimadores 84 e manter rígida a parede circundante. O forno 14 é revestido com materiais reffatários. O chão 48 é fabricado de dois materiais reffatários diferentes. O primeiro material 86 é uma laje derramada, com cerca de seis polegadas (15,2 cm) de espessura, de um refratário vazável, de alta resistência, tal como AP Green KS-4, que fora uma sub-soleira. Um material de chão 88 é derramado acima da sub-soleira 86 de modo monolítico, tendo uma espessura de cerca de trinta a quarenta polegadas (76,2 a 101,6 cm). O material de chão 88 é um refratário AP Green 70AR. Ele é um refratário vazável, resistente ao alumínio, com 70 por cento de alumina.

As paredes 54, 64 e 65 são fabricadas de duas camadas de isolamento 90 seguidas pelo refratário para socagem e reparação 92 de plástico, com 85 por cento de alumina (ΜΟΝΟ P85) ligado com fosfato, vazável ou monolítico 70 AR. O teor de alumina desse material é 85 por cento. O isolamento de revestimento posterior 90 é uma painel de isolamento, com cerca de duas polegadas (5,1 cm) de espessura nas paredes laterais 54 do forno e cerca de três polegadas (7,62 cm) de espessura nas paredes dianteira e traseira 64, 65 do forno. A diferença na espessura do isolamento 90 é para acomodar a expansão térmica do forno 14. As paredes do forno 54,64 e 65 aumentarão cerca de 1/8 de polegada (3,2 mm) por pé linear. Desse modo, o forno 14 aumentará (ao longo de 40 pés de comprimento) um total de cerca de 5 polegadas (12,7 cm). Pelo fato de que há seis polegadas (15,2 cm) de isolamento de revestimento posterior 90 (cada uma das paredes dianteira e posterior tem três polegadas(7,62 cm)), o isolamento 90 se esmagará e permitirá o crescimento nas paredes do fomo 54,64 e 65 sem danificar a carcaça de fomo 42.

Tijolo isolante 94 é posicionado entre o painel de isolamento triturável 90 e o refratário fundido 92. O teto 56 é fabricada de reffatário vazável com 70 por cento de alumina. O material é derramado em seis seções de teto. Cada estrutura de porta 58 é fabricada de reffatário AR com 70 por cento de alumina. O fomo 14 tem dois conjuntos de blocos de desobstrução (não mostrados). O primeiro conjunto é posicionado no fundo 52 do fomo e serve como blocos de drenagem. O segundo conjunto de blocos é posicionado dezesseis polegadas (40,64 cm) no chão do fomo e serve como um conjunto de blocos de transferência. Os blocos de transferência são colocados no lado de fora do fomo para facilidade de substituição. O interior do fomo é formado e os blocos são colocados no lado de fora chavetados com um batedor de plástico. Há duas rampas (não mostradas) no fomo, uma em cada uma das portas de carga principais 58. As rampas são usadas para descobrir ou escumar drosse D do metal fundido e para permitir que alumínio de sucata deslize no fomo. As rampas são compostas de dois materiais. A base é um tijolo resistente ao alumínio de baixo grau, empilhado para formar uma rampa. O tijolo é coberto com um refratário vazável (com cerca de 18 polegadas (45,7 cm) de espessura), tal como o material 70AR. A rampa se estende desde a borda da soleira no fomo. A parede 96 que separa a câmara principal de fomo 60 e o poço de carga 62 tem cerca de 22 polegadas (55,9 cm) de espessura e é formada de material 70AR. A parede 96 é fundida como uma estrutura monolítica única. O fomo 14 pode operar em diversos modos desde esvaziar a sustentar e manter alumínio fundido. Quando o fomo 14 está em operação de pico ele está cerca de 80 por cento a 90 por cento cheio. O metal fundido está em cerca de 760°C e a temperatura do ar no fomo é cerca de 982°C. A temperatura do ar é medida por um termopar 98 na parede lateral superior 54 do fomo 14. A temperatura de metal é medida na base da bomba circulante 70.

Sucata é carregada ou introduzida no fomo no poço de carga 62 em incrementos de cerca de 1360,8 kg. Será compreendido que o tamanho ou o peso da sucata introduzida variará, dependendo do tamanho e da capacidade do fomo 14.

Metal fundido da câmara principal 60 é bombeado na carga de metal frio pela bomba de circulação 70. O metal fundido transfere calor, por condutividade, para a carga de metal frio. O metal da carga rapidamente aquece e funde. O modo primário de transferir calor para o alumínio carregado é por condução. O grande sumidouro de calor proporcionado pelo fomo cheio otimiza esse método efetivo de transferência de calor. Quando o fomo está com 80 por cento a 90 por cento da capacidade há cerca de 99,8 ton de alumínio fundido em cerca de 760°C. Quando a sucata é carregada no fomo 14, o banho atua como um sumidouro de calor e proporciona a energia necessária para transferência de calor para o metal carregado. Isso é verdadeiro independente das dimensões e da capacidade do fomo, conforme adaptado para o presente sistema de combustão com o oxi-combustível. A bomba circulante 70 auxilia a fusão da sucata pelo fornecimento de metal fundido quente para o poço de carga 62 da câmara principal de fomo 60.

Além disso, através da circulação de metal fundido, a estratificação de calor por todo o fomo 14 é mantida baixa.

Foi verificado que a através de bombeamento ou circulação do metal fundido, o diferencial de temperatura entre o topo e o fundo do fomo 14 (uma diferença de altura de cerca de 1,07 m) é apenas uns poucos graus Fahrenheit (1°F = -17°C). Desse modo, o fomo 14 atua como um sumidouro de calor estável para proporcionar uma fonte de calor consistente para a condução da transferência de calor para o metal de carga.

Calor é introduzido no fomo 14 pelos queimadores 84.

Acredita-se que o modo principal de transferência de calor para o fomo 14 seja radiação, com alguma transferência de calor convectiva. Por causa das altas temperaturas da chama, o sistema de combustão de oxi-combustível proporciona transferência de calor radiativo eficiente. A geometria do fomo 14 é ainda desenhada para aumentar a taxa de transferência de calor através da maximização da área da superfície de metal através da qual a transferência de calor da chama para o metal ocorre.

Além disso, os materiais reffatários acima da linha de metal são feitos de um material com alto teor de alumina. Esses materiais refletem o calor dos queimadores de volta para o metal fundido. Isso está em contraste com os desenhos de fomos convencionais que, em lugar de refletir calor de volta para a poça de metal fundido, permitem que muito do calor escape do fomo.

Por exemplo, fomos tradicionais usam refratários que tem um teor de alumina mais baixo e um valor de isolamento maior nas paredes laterais superiores. O presente desenho, por outro lado, usa reffatários com teor de alumina maior a fim de refletir mais do calor radiativo do queimadores 84 para a área de banho 60. Mais uma vez, isso é contrário ao desenho de fomo convencional. Em fomos tradicionais, as paredes laterais inferiores (definidas como abaixo da linha de metal) usam reffatários de alumina superiores para resistência. Em contraste, o presente desenho usa reffatário vazável de alumina inferior, que é mais avançado e tem um valor de isolamento maior. Em um sentido, o presente desenho vai completamente contra a aplicação tradicional de reffatários.

Além disso, como não há nitrogênio alimentado ao fomo 14 (outro que não o nitrogênio transportado no combustível) o volume de gases quentes (por exemplo, escapamento) que seguem através do fomo 14 é muito baixo. Vantajosamente, isso aumenta o tempo de permanência dos gases no fomo 14, proporcionando oportunidade adicional para transferência de calor para o metal fundido. A transferência de calor convectivo, embora relativamente baixa, é mais eficiente do que nos fomos convencionais. Pelo fato de que os gases quentes no presente fomo 14 se aproximam de 2760°C e têm um tempo de permanência relativamente longo, muito do calor é removido antes do ecapamento.

Um presente fomo 14 opera em uma entrada de energia requerida para fundir de cerca de 1083 BTU por libra. A entrada de calor máxima para o fomo 14 é cerca de 40 milhões BTU (40 MMBTU) por hora e a entrada de calor típica é cerca de 10 a 12 MMBTU por hora. A entrada de calor, naturalmente, dependerá da sucata que está sendo fundida e das exigências de produção. O fomo é capaz de fundir até 40.000 libras por hora (18 ton/hora). O Sistema de Combustão O sistema de combustão, indicado na figura 3, de um modo geral em 100, é um trem de combustão duplo que opera em um combustível, tal como gás natural, óleo combustível, óleo residual, carvão (pulverizado, em pó e liquefeito) e uma fonte de oxigênio. O sistema é desenhado como dois sistemas de combustão completos para facilitar a manutenção, bem como conservar energia durante baixos períodos de uso. Um trem de oxigênio 102 e um trem de combustível de gás natural exemplificativo 104 são mostrados na figura 3. O sistema de combustão 100 é controlado por um sistema de controle (ilustrado na figura 11, indicado, de um modo geral, em 120) que inclui uma unidade de processamento central ("CPU") 106 que monitora todas as entradas de dados desde a temperatura do metal, a temperatura do ar, o fluxo de combustível e oxigênio e proporciona uma interface de operador.

Cada trem de combustão pode ser operado individualmente ou em tandem baseado nas condições e nas exigências de operação. A variável de entrada principal do processo usada para controlar o sistema de combustão 100 é a temperatura de banho do metal conforme medido por um termopar 108. Variáveis de entrada do processo alternativas incluem sinais de um de diversos sensores de temperatura do ar 98, 110. O esquema de controle inclui entradas de termopares (tipo K) localizadas na parede superior do forno, chaminé de escapamento e teto de fomo, indicadas de um modo geral como entradas 112. O termopar principal 108 está localizado no banho de metal fundido 60. Os termopares de ar 112 são revestidos com alumina ou materiais semelhantes para proteger o elemento de medição da atmosfera. O termopar de banho 108 é protegido do metal fundido por uma bainha de cerâmica que é resistente ao calor e às condições corrosivas encontradas no metal fundido. O termopar de banho 108 é configurado para sinalizar o início do sistema queimador apenas quando a temperatura de banho do metal cai abaixo do nível preestabelecido. O termopar de chaminé ou o termopar de teto 116 é projetado para proteção contra temperatura excessiva. Esse termopar 116 é conectado a um circuito de temperatura excessiva que desliga os trens de combustão 102, 107 para proteger a estrutura do refratário e do fomo 14 no caso em que um limite de temperatura excessiva seja alcançado. O termopar de parede superior 98 é usado principalmente para monitorar a temperatura do ar do fomo 14. Ele também pode ser usado para operar o fomo 14 na ausência do termopar 108 do banho fundido. O termopar de parede superior 112 também é usado como a variável de entrada do processo, quando o metal está sendo primeiro carregado no forno 14 ou quando o nível de metal fundido cai abaixo do termopar de banho fundido 108.

Um operador tem o controle completo sobre os pontos individuais de ajuste de temperatura. O painel de controle 118 inclui indicadores de temperaturas para todos os termopares 92, 108, 110, 112, 114, 116. O operador pode ajustar cada ponto de ajuste de termopar até que os limites de operação sejam obtidos. Os limites de pontos de ajustes operacionais podem ser ajustados intemamente dentro da CPU de modo que qualquer faixa de temperatura desejada pode ser estabelecida. O sistema de controle de sistema de combustão 120 é configurado em duas partes. A primeira parte 122 inclui dispositivos de segurança ligados por fios, tais como relés, chaves de limite e semelhantes, como será reconhecido por aqueles habilitados na técnica. Esses incluem todas as chaves de pressão de gás, válvulas de desligamento e de bloqueio e detectores de chama. A segunda parte 124 do sistema de controle 120 é de funções de monitoração e controle automático realizadas pela CPU 106.

Os trens de gás 104 são configurados em pares de modo que um trem pode estar em serviço enquanto o outro está fora de serviço para, por exemplo, manutenção ou períodos de baixo uso/carga. Cada trem de gás 104 está dimensionado apropriadamente vis à vis com as exigências do fluxo de oxigênio. Cada trem de gás 104 começa em uma válvula de desligamento do tipo esfera 130. A tubulação 132 encaminha o gás através de um ralo de aspiração 134 para remover quaisquer detritos presentes na linha. Uma linha piloto de gás 136 se estende da tubulação 132 após o ralo de aspiração 134.

Um regulador de contrapressão 138 é usado para reduzir a pressão do coletor. Presentemente, a pressão do oxigênio é estabelecida em cerca de 124 kPa manométrico (18 psig). Uma válvula de desligamento 140 e válvulas de segurança 142 seguem em linha. Um mediador de fluxo de pressão diferencial 144 está localizado à jusante das válvulas de segurança 142. O medidor de fluxo 144 mede a temperatura e a pressão diferencial do gás à medida que ele circula através de um orifício 146. Um presente medidor de fluxo 144 é um medidor de fluxo de pressão diferencial de Rosemount modelo 3095.

Através dessas medições uma taxa de fluxo é determinada e um sinal é transmitido para o sistema de controle 120. Uma válvula de controle 148 está em linha em seguida ao medidor de fluxo 144. Em uma presente disposição, uma válvula de controle de modulação é usada, que recebe um sinal de saída do sistema de controle 120. A válvula 148 transmite um sinal para o sistema de controle 120 e, especificamente, para a CPU 106, indicando a posição real da válvula 148. O trem de gás 104, então, se divide em duas linhas separadas 104a, b, cada uma tendo uma válvula 150a, b. As válvulas 150a, b são usadas para equilibrar cada queimador 84 de modo que o fluxo de gás seja distribuído uniformemente. O trem de oxigênio 102 é similar ao trem de gás 104, exceto que os tamanhos e componentes de linha são maiores para acomodar a taxa de fluxo maior do oxigênio. Um trem de oxigênio exemplificativo 102 está ilustrado na figura 3 em que aqueles componentes que correspondem aos componentes do trem de combustível 104 são indicados por identificadores de números de série 200.

Fazendo referência à figura 10, os queimadores 84 são de um desenho avançado completamente reto. Cada um dos quatro queimadores 84 inclui um corpo de bocal de entrada principal 152 que se estende no forno 14.

Uma entrada de gás combustível 154 se estende para o corpo de entrada principal 152 externo da parede de forno 54. Oxigênio é introduzido no corpo de bocal de entrada principal 152 e se mistura com o gás combustível. Um inflamador (não mostrado) se estende através de uma abertura central 156 no corpo de entrada principal 152. O inflamador proporciona uma centelha para ignição da mistura de combustível/oxigênio. A operação do sistema de combustão 100 é realizada prontamente através de uma combinação de ação iniciada operada e controle automático pela CPU 106. Energia é fornecida aos controles do sistema o que ativa a CPU e a porção de segurança ligada por fio 122 do sistema de controle 120. A CPU 106 inicia comunicação com as válvulas de controle, termopares e relés que são parte da porção de segurança ligada por fios 122. As chaves de pressão do gás e do oxigênio são de um desenho de chave dupla alta/ baixa. A chave de baixa pressão é um sinal normalmente fechado enquanto o lado de alta pressão é um sinal normalmente aberto. A CPU 106 determina se o sinal adequado está presente e permite ao programa continuar. Se um sinal inadequado for reconhecido, alarmes audíveis e visuais são atuados. O esquema de controle também monitora se as válvulas de controle de gás e de oxigênio 148, 248 estão na posição de “fogo baixo”. Se as válvulas de controle 148, 242 estão na posição adequada, um sinal é transmitido que permite ao sistema de controle 120 continuar o procedimento de preparação.

Um sinal de temperatura excessiva também deve estar claro para permitir que o sistema 120 continue com o procedimento de preparação.

Quando todas as condições de preparação estiverem satisfeitas, um ciclo de purga de nitrogênio é iniciado. Nitrogênio é usado para purgar o fomo 14 de quaisquer gases combustíveis que possam estar permanecendo no fomo 14. A purga de nitrogênio é sincronizada de modo que o volume de nitrogênio através do fomo 14 seja, aproximadamente, 2,5 vezes o volume do fomo 14.

Após a purga estar completa, um ou ambos os trens de combustão é iniciado. Uma chave de controle coloca um par de queimadores ou todos os queimadores 84 em operação. Um controlador de chamas abre os solenóides do piloto. Os solenóides do piloto normalmente estão fechados, porém, mediante a partida, e solenóides são abertos e gás e oxigênio circulam através de um conjunto piloto.

Na ponta do conjunto piloto gases se misturam e são inflamados por uma centelha emitida controlada pelo controlador de chama.

Com a ignição, um detector de chama 126 detecta a presença ou a ausência de chama e transmite um sinal para o sistema de controle 120. Uma vez que a chama seja detectada, o sistema de controle 120 abre as válvulas de bloqueio principais para o gás e o oxigênio.

As válvulas principais de desligamento de combustível e oxigênio 140,240 operam independentemente. As válvulas de segurança 142,242 são configuradas de modo que, se a válvula de gás 140 não abrir, as válvulas de segurança 142,242 não abrem. Quando a válvula de gás principal 140 abre, as válvulas de segurança do gás e do oxigênio 142, 242 abrem. Com todas as válvulas principais abertas, um relé de controle é energizado bem como uma luz indicadora para cada trem de gás no painel de controle 118.

Um cronômetro de piloto permanece energizado por um período de tempo preestabelecido, cerca de 30 segundos. Uma vez que a duração de tempo preestabelecida tenha decorrido, o circuito piloto é desenergizado e as válvulas de solenóide normalmente fechadas são desenergizadas, isolando os conjuntos piloto e a luz indicadora piloto para cada trem de queimador.

Os detectores de chama 126 monitoram continuamente a chama. Com a perda de indicação de chama, um sinal de alarme é transmitido para a CPU 106 e o circuito de controle isola as válvulas de desligamento de gás e de oxigênio 140, 240 e as válvulas de bloqueio 142,242.

Uma vez que os pilotos estejam desenergizados, a operação automática do fomo é assumida pelo sistema de controle 120. Embora o sistema 120 esteja ajustado para "fogo baixo", as válvulas de controle de oxigênio 248 são mantidas na posição fechada, independente do processo e dos valores dos pontos de ajuste. As válvulas de controle de gás 148 não estão limitadas em seu alcance uma vez que o fluxo de gás segue o fluxo de oxigênio. O sistema de controle 120 mantém o gás na proporção preestabelecida.

Quando da operação no modo automático, o sistema de controle 120 responde aos desvios do processo e de valores de pontos de ajuste. A temperatura do forno é monitorada até e correspondida com o ponto de ajuste da temperatura. Quando a temperatura do processo se desvia da temperatura do ponto de ajuste, um sinal de erro é gerado e o sistema de controle 720 transmite o sinal para a válvula de controle de oxigênio 248. A válvula de controle de gás 148 também é controlada pelo sistema de controle 120; a variável de ponto de ajuste segue a taxa de fluxo (estequiometricamente correlacionada) do oxigênio conforme estabelecido pelo medidor de fluxo de oxigênio. O sistema de controle 120 é configurado para limitar as válvulas de controle 148, 248, que por sua vez, limitam a potência de saída dos queimadores 84. O sistema de combustão 100 e especificamente o sistema de controle 120 podem ser configurados para satisfazer qualquer aplicação desejada para e em qualquer indústria que conte com combustíveis baseados em carbono. Por exemplo, na presente instalação de processamento de alumínio de sucata 10, há três aplicações ou usos do sistema de combustão com combustível e oxigênio 100. A primeira é para fundir alumínio em um ambiente de alta produção (isto é, no forno de fundição 14). Segunda, o sistema 100 está presente no forno de espera 16 principalmente para temperatura de estado constante e permitir a mistura do alumínio fundido. A última aplicação e em um forno de fusão de drosse 166 em que queimadores de alta temperatura são usados para liberar as unidades de metal (alumínio que pode ser recuperado para produção) de drosse D (subproduto fundido) por meio de choque térmico. Em cada uso, os queimadores são instalados para conservação de energia e por razões ambientais.

Aplicações do presente sistema de combustão 100 variam em saída térmica (medida em MMBTU máximo por hora), tamanho e orientação dos queimadores 84, bem como nas temperaturas em que os fomos 14, 16, 166 estão destinados a operar. Aqueles habilitados na técnica reconhecerão que diferenças mecânicas (por exemplo, os tamanhos de linha e semelhantes) são necessárias para acomodar essas necessidades diferentes e que a programação específica do sistema de controle 120 e da CPU 106 pode variar. O presente sistema de combustão 100 proporciona um número de vantagens em relação aos sistemas de combustão conhecidos e usados presentemente. Por exemplo, tem sido mostrado através de operação que há economia considerável de energia usando o presente sistema de combustão 100. Os queimadores de oxi-combustível 84 operam em uma temperatura muito maior do que os fomos convencionais. Desse modo, há um aumento observado no calor disponível para fusão (em outras aplicações industriais, esse calor aumentado pode ser tomado disponível, por exemplo, para geração de vapor, em incineração de refugos e semelhante). Isso proporciona uma redução na quantidade de combustível requerido para operar os fomos 14,16,166. Na prática da presente invenção, tem sido observado que a entrada térmica média (e estimada) requerida por libra de alumínio fundido é diminuída de cerca de 3620 BTU por libra (em um fomo convencional) para cerca de 1083 BTU por libra no fomo de fusão 14. Isso é uma diminuição de cerca de 70 por cento. Além disso, o combustível necessário para manter a temperatura no fomo de espera 16 tem sido mostrado ser aproximadamente metade daquele de um fomo convencional.

Acredita-se que a economia de combustível é atribuída a três fatores principais. Primeiro, o calor aumentado do sistema de combustão 100 permite queima completa de todo combustível sem oxigênio em excesso.

Segundo, sendo sustentado em teoria, acredita-se que o sistema de combustão 100 opera dentro de uma zona de transferência de calor radiativo (ou radiante), com alguma transferência de calor por condução. O sistema 100 é projetado para tirar vantagem da transferência de calor radiante dentro dos fomos 14, 16, 166 para transferir calor efetivamente para os banhos de metal. Terceiro, como não há nitrogênio no processo de combustão, a quantidade de gás que circula através dos fomos 14, 16, 166 é baixa. Desse modo um tempo de permanência aumentado dos gases quentes permite a liberação de uma proporção maior de energia (na forma de calor) antes da exaustão dos fomos 14, 16, 166. O volume típico do gás de escapamento é ffacional daquele dos fomos convencionais. Pelo fato de que há cerca de 80 por cento menos de gases (essencialmente o componente de nitrogênio do ar) em um fomo de oxi- combustível, a eficiência de combustão é grandemente aumentada. Em fomos convencionais, o componente de nitrogênio do ar absorve muito da energia (mais uma vez na forma de calor) do fundido. No presente sistema de combustão 100, oxigênio (em lugar de ar) e combustível são alimentados aos fomos 14, 16, 166 e queimados em uma proporção estequiométrica. Isso é realizado sem oxigênio em excesso. Desse modo, não há energia absorvida por materiais relacionados de não combustão, por exemplo, oxigênio ou nitrogênio em excesso). O presente sistema de combustão 100 também proporciona produção aumentada. Quando instalado como parte de um fomo de fusão, a capacidade de fundição ou um rendimento do fomo será aumentado. Isso mais uma vez é atribuído à transferência de calor rápida e efetiva no fomo 14. À medida que novo metal é introduzido no fomo 14, o sistema de combustão 100 responde rapidamente para proporcionar calor para fundir o metal alimentado e manter o calor (temperatura) do metal fundido na poça 60 na temperatura de ponto de ajuste. Foi verificado que alumínio aceita calor muito eficientemente de uma fonte de calor radiativo.

Talvez o mais importante seja o impacto ambiental reduzido do presente sistema de combustão 100, comparado com os sistemas de combustão presentemente conhecidos e usados. O presente sistema 100, vantajosamente, não usa nitrogênio (do ar) no processo de combustão.

Tipicamente, a produção de NOx ocorre em um forno como um produto de reação do ar aquecido que é alimentado pelo sistema de combustão. Contudo, pelo fato de que o presente sistema 100 usa oxigênio, em lugar de ar, qualquer NOx produzido pelo presente sistema de combustão é devido somente à quantidade de nitrogênio elementar que está no combustível (isto é, nitrogênio transportado pelo combustível). Pelo fato de que os níveis de nitrogênio transportado pelo combustível são extremamente baixos (comparado com aqueles contribuídos pelo ar em fomos convencionais), os níveis de NOx do presente sistema de combustão estão bem abaixo de quaisquer padrões industriais e limitações governamentais. Além de reduzir a produção de NOx, a produção de outros gases de efeito estufa, tais como monóxido de carbono, também é grandemente reduzida.

Além do impacto ambiental reduzido, o presente sistema de combustão de oxi-combustível conserva energia porque significativamente mais alumínio pode ser processado em uma entrada de combustível consideravelmente menor (qualquer combustível baseado em carbono, incluindo carvão, pó de carvão, gás natural ou óleo). Como um resultado do processamento com menos uso de combustível, a conservação dos recursos de combustível é obtida. Essencialmente, menos combustível é usado no agregado, bem como em uma base por libra para produzir alumínio. Isso reduz os custos de processamento (por exemplo, combustível), bem como o uso de taxação de combustíveis fósseis.

Suprimento de Oxigênio Como será reconhecido por aqueles habilitados na técnica, as exigências de oxigênio para o presente sistema de combustão 100 podem ser bastante altas. Com essa finalidade, embora oxigênio possa ser comprado e distribuído, e armazenado para uso no sistema, é mais desejável ter uma instalação de produção de oxigênio perto ou como parte de um sistema de combustão de oxi-combustível, tal como a instalação exemplificativa de processamento de alumínio de sucata.

Fazendo referência agora à figura 4, é mostrada uma instalação criogênica 180 para uso com o presente sistema de combustão 100. A instalação criogênica exemplificativa ilustrada 180 produz 105 toneladas por dia de oxigênio com pelo menos 95 por cento de pureza e 60.000 pés cúbicos padrão por hora de nitrogênio tendo menos do que 0,1 parte por milhão de oxigênio. A instalação 180 inclui um compressor de três estágios de 1850 cavalos-vapor 182. O ar comprimido, em 489,5 kPa manométrico (71 psig), entra em um purificador/expansor 184. O ar sai do expansor 184 em uma pressão de 47,6 kPa manométrico (6,9 psig) e uma temperatura de -264° F e entra em uma coluna de destilação criogênica 186. Na coluna 176, ar é separado (destilado) em nitrogênio gasoso, nitrogênio líquido, oxigênio gasoso e oxigênio líquido. O oxigênio gasoso, indicado de um modo geral em 188, é alimentada diretamente para o sistema de combustão 100 e o oxigênio líquido, indicado de um modo geral em 190, é armazenado, por exemplo, em tanques 191, para uso posterior no sistema de combustão 100. A pressão do oxigênio da instalação criogênica 180 pode ser menor do que aquela requerida para o sistema de combustão 100. Como tal, um insuflador de oxigênio 192 é posicionado entre a descarga de oxigênio na coluna 186 e o sistema de combustão 100 alimentado para elevar a pressão até aquela necessária para o sistema de combustão 100. O nitrogênio gasoso, indicado, de um modo geral em 194, é alimentado a um sistema de liberação de recozimento/tensão a jusante (não mostrado) dentro da instalação 100. Esses sistemas, que usam nitrogênio para tratar alumínio para aliviar as tensões no metal serão reconhecidos por aqueles habilitados na técnica. Além disso, o nitrogênio 194 é usado nas unidades de degaseificação 24. A instalação 10 também inclui um suprimento de reforço de oxigênio e nitrogênio 191, 196, respectivamente, na forma líquida no caso de, por exemplo, manutenção ou outras situações em que a instalação criogênica 180 não pode suprir aquelas exigências da instalação.

Os sistemas de reforço 191,196 são configurados para, automaticamente, fornecer oxigênio e/ou nitrogênio, conforme requerido, tal como quando a instalação criogênica 180 está fora de linha. Nitrogênio em excesso pode ser armazenado, engarrafado e vendido. Sistemas tais como esses estão disponíveis comercialmente de vários fabricantes, tais como, Praxair, Inc. de Danbury, Connecticut.

Recuperação de Calor O sistema de processamento de alumínio 10 também tira vantagem do calor residual dos vários processos. Especificamente, a instalação de processamento 10 pode incluir um sistema de recuperação de calor residual, indicado de um modo geral em 200 na figura 4. O gás de escapamento, indicado em 202, do fomo de fusão 14 e do fomo de espera 16 é dirigido para um lado de um permutador de calor de recuperação de calor residual 204. Pelo fato de que o gás de escapamento 202 está em uma temperatura de cerca de 537,8°C, há uma quantidade considerável de energia que pode ser recuperada. Além disso, energia pode ser recuperada da exaustão acima da área de banho principal de fomo 60. O gás de escapamento 202 é dirigido para o permutador de calor residual 204. Um fluido de trabalho, indicado em 206, tal como pentano, circula através do outro lado do permutador de calor do tipo placa o. É antecipado que um permutador de calor do tipo placa ou um permutador de calor do tipo placa e tubo é melhor adequado para esta aplicação. Aqueles habilitados na técnica reconhecerão os vários tipos de fluido de trabalho que podem ser usados para o presente sistema de recuperação de calor residual, bem como os sistemas permutadores de calor que são usados com esses tipos de fluidos de trabalho. Todos esses sistemas estão dentro do espírito e do escopo da presente invenção. O fluido aquecido 206 é, então, dirigido para um vaporizador 208 onde o fluido 206 é permitido se expandir no vapor. O vapor 206 é dirigido para um conjunto de gerador - turbina 210 para produzir eletricidade. O vapor, então, é condensado, em um condensador 212 e retomado para o r permutador de calor 204. E antecipado que energia suficiente para produzir aproximadamente 1,5 a 2,0 megawatts de potência na forma de eletricidade pode ser recuperada do gás de escapamento 202 da instalação de processamento de sucata 10 descrita acima.

Embora uma ampla variedade de fluidos de trabalho 206 possam ser empregados para uso nesse sistema de recuperação de energia de resíduos ou calor residual 200, em um sistema presentemente considerado, pentano é usado como o fluido de trabalho 206. Esse sistema baseado em orgânicos proporciona um número de vantagens em relação, por exemplo, aos r sistemas baseados em vapor. E antecipado que um fluido de trabalho baseado em pentano 206, em uma disposição padrão de ciclo de Rankine, permitirá variações no suprimento de vapor mais completamente do que o sistema baseado em vapor. Pelo fato de que a saída de calor dos fomos (de fusão 14 e de espera 16) é dependente da produção de metal, em lugar das necessidades elétricas, a entrada de energia para o sistema de recuperação 200 provavelmente irá variar e será a característica de controle para produção de energia. Como tal, um fluido 206, tal como pentano, proporciona a maior flexibilidade que é requerida para esse sistema de recuperação 200.

Como será reconhecido por aqueles habilitados na técnica, a energia elétrica gerada pode ser usada para proporcionar alguma da energia necessária para a instalação de processamento de sucata 10, incluindo a instalação criogênica 180. A energia para operar a instalação 10 pode ser proporcionada por um sistema de combustão de oxi-combustível empregado em uma instalação geradora de energia elétrica (usando um forno ou uma caldeira), para gerar vapor para um conjunto de gerador - turbina a vapor.

Nessa disposição, quando a energia gerada excede as exigências da instalação 10, a energia em excesso pode ser vendida, por exemplo, para uma companhia de energia elétrica local.

Processamento de Drosse Fazendo referência agora à figura 2, os contaminantes ou drosse D do fomo de fusão 14 são ainda processados, separados e afastados na recuperação de alumínio em linha em um processo de recuperação de drosse, indicado em geral em 164. O drosse D é removido, como através de escumação, da poça de alumínio fundido 60 no fomo de fusão 14. O drosse D é comprimido em uma tigela semelhante à peneira 168 por meios mecânicos. A compressão empurra o alumínio A do drosse D, através de aberturas 170 na tigela 168. O alumínio A que é comprimido do drosse D é recuperado e é retomado para o fomo de fusão 14. O drosse carregado de óxido é alimentado no fomo de recuperação 166 para reaquecimento. O fomo de recuperação 166 é de um desenho similar ao fomo de fusão 14 pelo fato de que ele usa um desenho do sistema de combustão de oxi-combustível 100. Em operação, porém, o fomo de recuperação 166 "bate" no material carregado de drosse pelo uso de incidência de chama quase direta de cerca de 2760 °C para liberar o metal de alumínio do drosse D. A temperatura do banho fundido 172 no fomo de recuperação 166 também a consideravelmente mais alta, aproximadamente, 787°C - 815 °C, com uma temperatura de ar do fomo de cerca de 1093°C - 1204°C. Além disso, o processo de "choque" é realizado em uma atmosfera altamente reduzida substancialmente sem oxigênio em excesso dentro do fomo 166 (em contraste com os fomos convencionais que operam com níveis de oxigênio em excesso de cerca de 3 a 5 por cento). O fomo de recuperação 166 é igualmente escumado e o drosse resultante é prensado. O alumínio recuperado A é transferido para o forno de fusão 14. O drosse restante D2 é, então, enviado para processamento fora do local, para um processador de drosse, para uma outra recuperação de alumínio. Foi verificado que o presente processo, incluindo o processo de recuperação de drosse, proporciona um aumento significativo na recuperação de metal. O drosse D2, que é finalmente embarcado para processamento posterior é apenas uma fração da quantidade original de drosse D, assim, reduzindo os custos de processamento e aumentando a recuperação de alumínio.

Importante, o presente processo de recuperação de drosse 164 é realizado sem o uso de sais ou quaisquer outros aditivos. Antes, o choque térmico é usado para liberar o metal dos óxidos. Processos de recuperação conhecidos usam sais para separar os óxidos do metal. Pelo fato de que os sais permanecem nos óxidos, os quais por sua vez são descartados, finalmente, os sais são igualmente enviados para descarte. Esses sais podem ser prejudiciais ao ambiente e/ou tóxicos. Como tal, presente processo 164 é benéfico ambientalmente pelo fato de que ele elimina a necessidade desses sais e, desse modo, seu descarte.

Quanto ao esquema de processamento global 164, mais uma vez, foi verificado que as presentes etapas de recuperação (por exemplo, dupla prensagem com reaquecimento intermediário) resultam em taxas de recuperação de alumínio que são significativamente aperfeiçoadas em relação àquelas de processos conhecidos, dependendo do grau da sucata. Aumentos multipercentuais na quantidade de metal recuperado do drosse D foram obtidos.

Outras aplicações para o Sistema de Combustão Conforme discutido acima, é evidente que eficiências aumentadas do uso de oxigênio em todos os processos contínuos podem ser obtidas. Por exemplo, instalações geradoras de energia podem aumentar a temperatura da chama ou reduzir LOI em caldeiras através da introdução de oxigênio na fórmula de queima (em lugar de ar). Isso pode aumentar as eficiências em operação. Essencialmente, a queima de quaisquer combustíveis baseados em carbono pode ser acentuada pela introdução de oxigênio. Os benefícios são econômicos e ambientais. Até hoje nenhuma outra indústria que não a de fabricação do vidro abraçou a tecnologia do oxi-combustível. Na indústria de fabricação do vidro essa tecnologia não é usada para as eficiências que resultam, mas por causa da alta temperatura de fusão requerida para o processo de produção de vidro. Não obstante, o uso de sistemas de combustão de oxi- combustível em todas as aplicações industriais e de geração de energia pode proporcionar consumo reduzido de combustível com saída de energia ou geração de calor equivalente. O consumo de combustível reduzido, junto com o uso eficiente do combustível (isto é, combustão eficiente) proporciona emissões de NOx grandemente reduzidas e substancialmente zero e reduções significativas na emissão de outros gases de efeito estufa.

Devido à variedade de combustíveis industriais que podem ser usados, tais como carvão, gás natural, vários óleos (óleo residual e de aquecimento), madeira e outros resíduos reciclados, junto com os vários métodos, correntes e propostos, para gerar oxigênio, aqueles habilitados na técnica reconhecerão o enorme potencial, a aplicabilidade industrial vis-à-vis, do presente sistema de combustão. A seleção de combustível pode ser feita com base na disponibilidade, em fatores econômicos e preocupações ambientais. Desse modo, nem um combustível especificado; antes, uma miríade, e de fato, todos os combustíveis baseados em carbono são compatíveis com o presente sistema. Além disso, há muitas tecnologias aceitáveis para a produção de oxigênio em altos níveis de pureza. Essas tecnologias incluem criogênicos, sistemas de membrana, unidade de absorção, hidrólise e semelhantes. Todos esses usos de combustível e suprimentos de oxigênio estão dentro do escopo da presente invenção. Aqueles habilitados na técnica reconhecerão que outros gases produzidos, tais como hidrogênio e nitrogênio, podem ser armazenados, engarrafados e vendidos.

Conforme discutido em detalhes acima, uma aplicação para a presente combustão é o processamento ou recuperação de alumínio de sucata.

Outras aplicações exemplificativas, como será discutido abaixo, incluem caldeiras industriais para a geração de energia e incineradores. Essas aplicações exemplificativas têm seu foco na flexibilidade e na aplicabilidade dessa tecnologia para amplos usos industriais.

Em geral, o uso de combustão com queima de oxi-combustível em relação aos sistemas concorrentes ou tradicionais de ar - combustível oferece vantagens significativas em muitas áreas. Primeiro é a capacidade de processar em níveis estequiométricos precisos sem o impedimento do nitrogênio no envoltório da combustão. Isso permite maior eficiência do uso do combustível, ao mesmo tempo em que reduz grandemente os níveis de NOx na aplicação de queima. Significativamente, menos combustível é requerido para se obter os mesmos níveis de saída de energia, o que, por sua vez, reduz os custos operacionais globais. No uso de menos combustível para obter a mesma saída de potência, uma redução natural nas emissões resulta.

Economia de combustível e menos emissões são apenas dois, mas não os únicos, benefícios proporcionados pelo presente sistema.

Geradores de vapor para a produção de eletricidade, por exemplo, através de caldeiras de energia industriais, são variados, mas não obstante são dependentes fundamentalmente de seu sistema de combustão para produzir vapor para gerar o conjunto turbina - gerador. Os combustíveis usados variam com base no desenho dos geradores de vapor. Contudo, todas as caldeiras requerem um agente oxidante. Com o uso do presente sistema de combustão de oxi-combustível, oxigênio de alta pureza é usado como o único agente oxidante por toda a caldeira ou é usado como um suplemento para o ar que proporcionam oxigênio para combustão.

Os benefícios que podem ser desfrutados por outras aplicações industriais se mantém verdadeiros para a indústria de energia. Por exemplo, o uso de oxigênio dentro da zona de combustão otimiza a temperatura da chama ao mesmo tempo em que efetivamente corta a LOI (perda na ignição) pelo fornecimento de oxigênio prontamente disponível para combustão. Pelo aumento das temperaturas da chama, taxas maiores de geração de vapor podem ser obtidas com a mesma taxa de queima de combustível.

Inversamente, geração ou saída igual de energia pode ser reconhecida com taxas menores de queima de combustível. A temperatura da chama será dependente da concentração de oxigênio proporcionado para combustão. Com essa finalidade, sem suplemento ou enriquecimento de oxigênio (isto é, ar puro para combustão), as temperaturas das chamas estarão em cerca de 2482°C a 2760°C. As temperaturas das chamas antecipadas para vários graus de suplementação de oxigênio podem ser interpoladas (isto é, acreditadas linearmente) entre essas temperaturas. O oxigênio também pode ser usado em conjunto com sistemas de ar com queima em excesso ou queimadores de NOx baixo para reduzir o NOx e outros gases de efeito estufa ao mesmo tempo em que assegura chama estável na estequiometria. Queimadores de NOx baixo típicos freqüentemente aumentam a LOI. Isso requer operadores para queimar mais combustível.

Através da adição de oxigênio enriquecido ao processo de combustão, queima completa se toma disponível para combustível ao mesmo tempo na estequiometria, sem nitrogênio adicional presente (pela entrada de ar adicional) para criar NOx. r E antecipado que caldeiras serão projetadas em tomo do sistema de combustão de oxi - combustível para tirar vantagem total dos benefícios desses sistemas. É antecipado também que modificações ou ajustes no equipamento existente também proporcionarão muitos desses benefícios tanto ao operador (por exemplo, a empresa pública) quanto ao ambiente.

Por exemplo, a Figura 12 ilustra, esquematicamente, uma caldeira ou forno com queima de carvão 300. Uma caixa de vento 302 é formada em uma parede 304 do forno 300. Um queimador 306, através do qual carvão é introduzido no forno 300, se estende através da caixa de vento 302. O carvão é transportado para o forno 300 por um conduto de carvão 308.

Ar primário (como indicado em 310) é fornecido para transportar o carvão (de um pulverizador, não mostrado) através do conduto 308 e do queimador 306 para o forno 300. Ar terciário (conforme indicado em 312) é proporcionado para o conduto de carvão 308 a fim de assegurar que o carvão é transportado para o queimador 306.

Ar secundário (conforme indicado em 314) é proporcionado da caixa de vento 302 diretamente para o forno 300 através dos registros 316 na parede de forno 304. Ar secundário 314 é a fonte primária de ar para o processo de combustão. Em um sistema bem conhecido para o controle de NOx, um sistema de ar de queima em acesso (como indicado em 318) injeta ar (da caixa de vento 302) no forno 300 através da chama F. As finalidades subjacentes para o ar queimado em excesso são duas. Primeira, é proporcionado oxigênio suficiente para assegurar combustão completa do combustível. A segunda é reduzir a temperatura da chama e, desse modo, reduzir a produção de NOx. r E antecipado que o presente sistema de combustão pode substituir os sistemas de combustão existentes, no total, ou, como alternativa, pode ser usado para proporcionar um suplemento de oxigênio para o ar usado para combustão. Especificamente, é antecipado que o oxigênio de alta pureza pode ser usado em lugar de qualquer ou de todo o ar primário 310, secundário 314 e terciário 312 que é usado nesses sistemas de combustão conhecidos.

Aqueles habilitados na técnica reconhecerão os benefícios que podem ser obtidos usando o presente sistema de combustão de oxi-combustível (ou como em certas aplicações, sistema de suplementação de oxigênio) em caldeiras ou fomos de energia que usam outros combustíveis fósseis, tais como óleo ou gás. O uso do presente sistema de combustão também é considerado para uso em relação com incineradores de resíduos industriais.

Incineradores de resíduos típicos operam na base de tempo ressonante, temperatura e oxigênio em excesso. O sistema de oxi-combustível permitirá maior eficiência na operação. O tempo ressonante é dependente do tamanho físico da câmara ou chaminé aquecida e da velocidade e do volume de gases que passam através da câmara ou chaminé. Quando o nitrogênio é retirado da mistura, o tempo ressonante naturalmente aumenta porque o volume de gás usado no processo de combustão é menor (em cerca de 80 por um. Quando o incinerador é desenhado especificamente com um sistema de combustão de oxi-combustível, o incinerador requer considerável menos custo de capital por causa do tamanho reduzido que é requerido.

Temperaturas de chama típicas de sistema de combustão de oxi-combustível são muito maiores do que sistemas com queima de ar. Desse modo, a eficiência da queima, finalmente, requer menos entrada térmica do combustível, resultando em menos custos operacionais. Um dos benefícios do sistema de oxi-combustível é o controle de níveis excessivos de oxigênio que é obtido. NO caso de incineradores convencionais, oxigênio em excesso é requerido para queimar os carbonos orgânicos voláteis (VOCs) e carbono não queimado. Esse oxigênio em excesso é proporcionado através de injeção de ar na câmara ou chaminé onde o oxigênio (do ar) é usado para completar a queima de VOCs e carbono não queimado. Embora o ar proporcione o oxigênio em excesso necessário, ele também permite nitrogênio na câmara. O nitrogênio em excesso que é introduzido (para proporcionar o oxigênio em excesso) resulta em produção aumentada de NOx. Adicionalmente, o ar em excesso, global, resulta na geração de outros gases de efeito estufa e ainda atua para esfriar a câmara. Esse resfriamento indesejável, então, requer calor adicional do sistema de combustão para vencer esse efeito de resfriamento. A figura 13 ilustra, esquematicamente, um forno industrial típico 400. Resíduo (como indicado em 402) é introduzido em uma chaminé 404 Um queimador 406 é alimentado com ar (como indicado em 408) e combustível (como indicado em 410) para produzir uma chama F para incinerar o resíduo 402. Um monitor de monóxido de carbono (CO) 412 está localizado acima da chama F para determinar o nível de CO no gás de escapamento. Quando o nível de CO é alto demais, ar adicional é alimentado ao queimador 406. Opcionalmente, ar pode ser alimentado na chaminé de uma localização 414 afastada do queimador 406 para proporcionar ar adicional. Há um número de desvantagens nesse método de operação.

Conforme discutido acima, os dois fatores de controle na incineração de resíduos são o tempo e a temperatura. Isto é, temperaturas mais altas e tempos ressonantes maiores aumentam a incineração do resíduo. Contudo, a adição de ar (para reduzir os níveis de CO) aumenta a taxa de fluxo através da chaminé 404, desse modo, reduzindo o tempo ressonante. Além disso, embora o fluxo de ar aumentado reduza as temperaturas das chamas (o que, por sua vez, reduz a produção de NOx), ele também introduz altos níveis de nitrogênio, o que tende a aumentar a produção de NOx e contrabalançar o efeito do resfriamento (e produção reduzida de NOx). Além disso, por causa do efeito de resfriamento do ar, a eficiência do processo de incineração é reduzida. O presente sistema de oxi-combustível, por outro lado, usa oxigênio de alta pureza o que permite a queima do material não queimado sem a produção de NOx e outros gases de efeito estufa e sem efeitos de resfriamento. O presente sistema de oxi-combustível, assim, proporciona diversas vantagens em relação aos sistemas incineradores convencionais ou tradicionais. Pelo fato de que o dever primário de um incinerador é queimar VOCs e outros contaminantes antes que eles alcancem a atmosfera, o presente sistema de combustão reduz o combustível usado e, assim, resulta em produção reduzida de NOx e outros gases de efeito estufa e um volume reduzido de gases combustíveis em geral.

Além disso, os custos de instalação (por exemplo, capital) e de operação de incineradores que empregam sistemas de combustão com combustível e oxigênio serão grandemente reduzidos. O custo de capital do incinerador será reduzido porque o volume de gases através do sistema é esperado ser muito menor. Conforme proporcionado acima, por causa da produção de gás ser muito menor, o tamanho global do incinerador pode ser consideravelmente menor do que o dos sistemas convencionais, ao mesmo tempo em que se mantém o mesmo tempo ressonante. Desse modo, o incinerador pode ser fisicamente menor para lidar com a mesma carga de resíduos e que os sistemas de suporte requeridos e equipamento e sistemas e equipamento podem igualmente ser menores.

Além disso, os sistemas de combustão de oxi-combustível são, em geral, consideravelmente mais eficientes do que os sistemas incineradores convencionais e requerem uma quantidade ffacional da entrada de energia requerida. O sistema também se presta bastante a aplicações em incineradores em que o combustível é carbono não queimado ou VCOs. Igualmente, uma vez que não há nitrogênio presente no envoltório da chama, o desenvolvimento de NOx é mantido em um mínimo, relegado ao NOx formado de nitrogênio transportado no combustível apenas.

As indústrias descritas acima são apenas umas poucas indústrias exemplificativas que podem se beneficiar do uso do presente sistema de combustão de oxi-combustível. Aqueles habilitados na técnica reconhecerão a aplicabilidade deste sistema nas indústrias química e petroquímica e, na indústria de geração de energia, nas indústrias de plásticos e na indústria de transporte e semelhantes.

Combustão de Oxi-combustível - Os Benefícios e Vantagens Os benefícios e vantagens de combustão de oxi-combustível serão apreciados por aqueles habilitados na técnica. Não obstante, em uma instalação exemplificativa de processamento de sucata de alumínio, usando um forno com queima de ar aparelhado para gás natural, foi verificado que a energia requerida para processar ou fundir 1 libra (453,5 g) de alumínio de sucata (conforme determinado pelo pé cúbico de gás natural usado) foi 3.620 BTUS (apresentado como 3620 BTUs/ lb). Isto é, cerca de 3,45 pés cúbicos padrão (SCF) de gás natural foram necessários para fundir cada libra de alumínio. A exigência de energia de 3620 BTUs está baseada em cada SCF de gás natural tendo um teor de calor de 1,050 BTUs.

Em contraste, com o uso do presente sistema de combustão de oxi-combustível foi verificado que apenas 10,3 SCF de gás natural (ou 1083 BTUs) foi necessário para fundir cada libra (1 libra = 453,5 g) de alumínio.

Desse modo, o presente sistema de combustão de oxi-combustível usou 1083 BTU/ 3620 BTU ou 29,9 por cento do combustível requerido para um forno que queima ar. Isso é uma redução de 1,0 a menos de 0,299 ou cerca de 70 por cento no consumo de combustível.

Reduções similares, embora não tão drásticas, no consumo de combustível foram observadas com um sistema de combustão com o oxi- combustível que usa óleo residual como combustível. Foi verificado que o teor de calor do combustível de óleo residual necessário para fundir cada libra 1 libra (453,5 g) de alumínio foi 1218 BTU. Desse modo, a redução observada com óleo residual foi 1218/ 3620 ou 33,6 por cento, resultando em uma redução no combustível consumido de cerca de 66 por cento. Como tal, mesmo antes de considerar a redução em poluentes produzidos, o presente sistema de combustão de oxi-combustível mostrou reduções no consumo de combustível de cerca de 70 por cento e de 66 por cento, usando gás natural e óleo residual, respectivamente, em relação a um fomo que queima gás natural, queima ar. A Tabela 1 abaixo ilustra uma comparação dos poluentes produzidos usando um sistema de combustão que queima ar (queima gás, mostrado como "AR - GAS" e um sistema de combustão de oxi-combustível (óleo residual, mostrado como "OXY - OIL"). Os poluentes mostrados são monóxido de carbono (CO), compostos de nitrogênio gasoso (NOx), matéria em partículas com abaixo de 10 mícrons de tamanho (PM 10), matéria partículas totais (PT) e compostos gasosos contendo enxofre (SOx) e compostos voláteis de carbono orgânico (VOC).

Os dados são mostrados em duas formas, a saber, toneladas por ano produzidas (TPY) e libras (1 libra = 453,5 g) produzidas por milhão de BTUs usados (lbs/ MMBTU). Os parênteses em seguida aos dados de OXY-GAS E OXY-OIL representam reduções de poluentes em relação àquelas do sistema de combustão que queima ar, gás combustível.

1 - TABELA 1 - ANÁLISE DE GÁS COMBUSTÍVEL PARA SISTEMAS

DE COMBUSTÃO DE AR - GÁS, OXI - GÁS E OXI - ÓLEO

Os valores para PM 10, PT, SOx e VOC para o sistema de combustão de óleo residual com oxi-combustível mostram aumentos(como reduções negativas). Isso é devido em parte a nenhum processo de tratamento de "pós-queima" usado no sistema de combustão exemplificativo. É antecipado que processos adequados de "pós-queima" incluirão câmaras de sacos de filtragem (para matéria em partículas) e depuradores (para gás contendo enxofre) e resultarão em reduções de pelo menos cerca de 98,99 por cento a 95 por cento, respectivamente a quantidades de emissões. Os valores obtidos na tabela 1 foram baseados na redução no consumo de combustível observada e foram determinados de acordo com os critérios aceitos da Agência de Proteção AMbiental dos Estados Unidos (USEPA), conforme determinado das tabelas AP42 da USEPA (disponível do website da USEPA).

Deve ser notado que os valores acima estão baseados no controle do ambiente e dentro do forno em que o sistema de combustão de oxi-combustível é usado. Isto é, os valores mostrados acima que indicam reduções em poluentes para o sistema de combustão de OXI-GÁS E OXI- r OLEO requerem que o forno em que os sistemas de combustão estão instalados sejam projetados para limitar em desprezível o vazamento de ar interno (isto é, o nitrogênio na atmosfera de combustão).

Desse modo, como será apreciado por aqueles habilitados na técnica, o uso de oxigênio de alta pureza (ou altamente enriquecido com oxigênio) e qualquer combustível baseado em carbono é altamente adaptativo t r a muitos sistemas industriais existentes. E antecipado que os usos para esse sistema em aplicações industriais padrão e convencionais proporcionará uma grande quantidade de vantagens e benefícios em relação aos sistemas que queimam ar e queimam ar em excesso presentemente utilizados. Embora muitas instalações físicas presentes possam requerer um novo desenho e modificação para incorporar os sistemas de combustão de oxi-combustível presentes a fim de acentuar o desempenho e a produção, é considerado que os benefícios obtidos ao fazer essas mudanças no desenho e na estrutura, como redução dos custos operacionais, por exemplo, os custos de combustível reduzidos, custos de capital diminuídos e emissões reduzidas serão mais importante do que os custos para fazer essas mudanças.

Na presente exposição, as palavras "um" ou "uma" devem ser tomadas para incluir o singular e o plural. Inversamente, qualquer referência a itens no plural, onde apropriado, incluirá o singular.

Do precedente será observado que numerosas modificações e variações podem ser efetuadas sem afastamento do verdadeiro espírito e escopo dos novos conceitos da presente invenção. Deve ser compreendido que nenhuma limitação com relação às concretizações específicas ilustradas é pretendida ou será inferida. A exposição é destinada a cobrir pelas reivindicações anexas todas essas modificações que estejam dentro do escopo das reivindicações.

Claims

1. Sistema de combustão de combustível com oxigênio, compreendendo: um forno (14) tendo pelo menos um queimador (84); um suprimento de oxigênio (104); um suprimento de combustível baseado em carbono (102) para suprir um combustível baseado em carbono; um meio alimentador (120, 148, 248) para alimentar o oxigênio e o composto baseado em carbono no fomo (14) em uma proporção estequiométrica um para outro;e, um meio de controle (120, 148, 248) para controlar a combustão do combustível com oxigênio, caracterizado pelo fato de que: o fomo (14) é configurado para prevenir a introdução de ar; o suprimento de oxigênio (104) supre oxigênio tendo uma pureza maior do que 21%; o sistema compreende ainda: um meio limitador (120, 148, 248) para limitar um excesso tanto de oxigênio ou o combustível com oxigênio menor que 5% sobre a proporção estequiométrica; e, um meio de monitoramento (92, 108, 110, 112, 114, 116) para monitorar uma variável de temperatura dentre uma pluralidade de variáveis de temperatura tendo um ponto de ajuste de temperatura que pode ser selecionado pelo operador, de modo que o meio de controle (120, 148, 248) controla a combustão do combustível com oxigênio para atingir o ponto de ajuste de temperatura.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível baseado em carbono é um gás.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o gás é gás natural.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível baseado em carbono é um combustível sólido.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível baseado em carbono é um combustível líquido.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de controle (120, 148, 248) é configurado para produzir um fluxo de gás de escapamento do fomo (14) tendo compostos gasosos produzidos por combustão contendo zero de nitrogênio a partir do agente oxidante.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir uma instalação de produção de oxigênio.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível baseado em carbono é um combustível sólido, e quaisquer compostos gasosos produzidos por combustão contendo nitrogênio são formados a partir do combustível sólido.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível baseado em carbono é um combustível líquido, e quaisquer compostos gasosos produzidos por combustão contendo nitrogênio são formados a partir do combustível líquido.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ambiente controlado é ausente de nitrogênio.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda um fomo (14) que compreende: uma região de combustão; e, um queimador (84), cujo fomo (14) é configurado para prevenir a introdução de ar.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a pureza do oxigênio do oxigênio suprido é de pelo menos 85%.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ponto de ajuste de temperatura selecionado inclui o ponto de ajuste de temperatura de chama e o meio de controle (120, 148, 248) é configurado para produzir uma temperatura de chama maior do que 2482°C em resposta a um ponto de ajuste de temperatura selecionado.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ponto de ajuste de temperatura selecionado inclui o ponto de ajuste de fluxo de gás de escapamento e o meio de controle (120, 148, 248) é configurado para produzir um fluxo de gás de escapamento do fomo (14) tendo uma temperatura menor ou igual a 593°C em resposta ao ponto de ajuste de temperatura selecionado.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo de gás de escapamento do fomo (14) exibe uma redução de pelo menos 20% de compostos gasosos produzidos por combustão contendo nitrogênio em relação a um agente oxidante de ar ambiente.

16. Método para operar um sistema de combustão como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, cujo sistema inclui um fomo (14) tendo pelo menos um queimador (84), caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: suprir oxigênio e um combustível baseado em carbono ao queimador (84); monitorar pelo menos uma temperatura no fomo (14); e, controlar a combustão do combustível baseado em carbono para atingir uma temperatura predeterminada no fomo (15).

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a etapa de controlar inclui o controle da combustão do combustível baseado em carbono de modo a produzir uma temperatura da chama maior que 1648°C.