BR102018001237A2

BR102018001237A2 - RECOVERY CONVENTIVE BURNER

Info

Publication number: BR102018001237A2
Application number: BR102018001237-1A
Authority: BR
Inventors: Anton Skyrda Veríssimo; Ricardo Leite Passos
Original assignee: Aestus Consultoria Em Engenharia Térmica Ltda
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-08-06

Abstract

o queimador convectivo recuperativo consiste de um dispositivo de elevada eficiência e carga térmica acima de 1 mw para secagem, aquecimento, conservação da temperatura ou resfriamento controlado de equipamentos industriais refratados, caracterizado pela recuperação do calor contido nos produtos da combustão por meio de tubos internos e coaxiais ao queimador (1). a invenção promove drástica redução das emissões de co, redução das emissões de nox estimada em 30%, e do consumo de combustível, estimada em 10%, com correspondente redução das emissões de co2.The recuperative convective burner consists of a high efficiency device and thermal load above 1 mw for drying, heating, temperature conservation or controlled cooling of refractory industrial equipment, characterized by the recovery of the heat contained in the combustion products by means of internal tubes and coaxial to the burner (1). The invention promotes drastic reduction of CO2 emissions, reduction of nox emissions estimated by 30%, and fuel consumption, estimated by 10%, with corresponding reduction of CO2 emissions.

Description

QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO [0001] O “QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO” consiste em um equipamento com carga térmica elevada que se caracteriza por recuperar calor residual de parte dos produtos da combustão em condições convectivas e eficiência elevada. Em consequência, com relação ao estado da técnica para queimadores de condições similares de desempenho (elevada carga térmica em condições convectivas), o “QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO” apresenta redução do consumo de combustível e de emissões indesejáveis, tais como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e óxidos de nitrogênio (NOx). O preaquecimento ocorre em sistema de recuperação de calor caracterizado por um conjunto de tubos internos e coaxiais ao queimador, dispostos em torno do tubo de combustível, sendo este central ao eixo do queimador. O ar de combustão escoa no interior dos tubos, recebendo calor dos produtos da combustão que escoam externamente, em contracorrente.CONVECTIVE RECUPERATIVE BURNER [0001] The "CONVECTIVE RECUPERATIVE BURNER" consists of equipment with a high thermal load that is characterized by recovering residual heat from part of the combustion products under convective conditions and high efficiency. As a result, with regard to the state of the art for burners with similar performance conditions (high thermal load in convective conditions), the “RECUPERATIVE CONVECTIVE BURNER” reduces fuel consumption and undesirable emissions, such as carbon monoxide (CO) , carbon dioxide (CO2) and nitrogen oxides (NOx). Preheating takes place in a heat recovery system characterized by a set of internal tubes and coaxial to the burner, arranged around the fuel tube, this being central to the burner axis. The combustion air flows into the tubes, receiving heat from the combustion products that flow externally, in countercurrent.

[0002] O queimador fornece carga térmica, vazão de produtos da combustão e pressão elevadas, acima de 1 MW, 1.000 m³/h e 400 mmca, respectivamente, atendendo às demandas específicas de preservação de equipamentos industriais em serviços como secagem e aquecimento de revestimentos refratários, conservação da temperatura ou resfriamento controlado, realizados por método convectivo, com elevado excesso de ar. O queimador é, ainda, aplicável a serviços de tratamento térmico, em geral.[0002] The burner provides thermal load, flow of products of high combustion and pressure, above 1 MW, 1,000 m ³ / h and 400 mmca, respectively, meeting the specific demands of preservation of industrial equipment in services such as drying and heating of coatings refractories, temperature conservation or controlled cooling, carried out by convective method, with high excess air. The burner is also applicable to heat treatment services in general.

[0003] A utilização do “QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO” viabiliza os serviços mencionados com maior eficiência, resultando em menor consumo de combustível e, consequentemente, menores emissões de CO, CO2 e NOx: em processos que teriam exaustão a 1.000°C, por exemplo, a temperatura final após troca de calor pode ser reduzida para 400-800°C, com ar de combustão aquecido a 200-400°C. A correspondente redução no consumo de combustível é estimada em 10%.[0003] The use of the “RECOVERY CONVECTIVE BURNER” makes the mentioned services more efficient, resulting in lower fuel consumption and, consequently, lower CO, CO2 and NOx emissions: in processes that would have exhausted at 1,000 ° C, for example , the final temperature after heat exchange can be reduced to 400-800 ° C, with combustion air heated to 200-400 ° C. The corresponding reduction in fuel consumption is estimated at 10%.

[0004] No novo queimador, a alta velocidade de injeção do ar de combustão eleva a taxa de recirculação, reduzindo as emissões de NOx em cerca de 30%.[0004] In the new burner, the high injection speed of the combustion air increases the recirculation rate, reducing NOx emissions by about 30%.

ESTADO DA TÉCNICA [0005] No estado atual da técnica, queimadores de alta velocidade (PI0900737-7) fornecem elevada vazão de produtos da combustão, em torno dos 2.600 m³/h, atingindo potências de até 2.500.000 kcal/h, aproximadamente 3 MW. Nas aplicações de alta temperatura, a corrente deSTATE OF THE TECHNIQUE [0005] In the current state of the art, high-speed burners (PI0900737-7) provide a high flow of combustion products, around 2,600 m ³ / h, reaching powers of up to 2,500,000 kcal / h, approximately 3 MW. In high temperature applications, the

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2/5 exaustão pode estar acima dos 1.000^oC. Essa elevada vazão de gases de exaustão a alta temperatura é normalmente descartada no ambiente, representando perdas significativas de calor e de eficiência, com elevado consumo de combustível.2/5 exhaust can be above 1,000 ^o C. This high flow of exhaust gases at high temperature is normally discarded in the environment, representing significant losses of heat and efficiency, with high fuel consumption.

[0006] Ainda, no estado atual da técnica, queimadores convectivos tipicamente não apresentam dispositivos nem mecanismos para redução, simultaneamente, das emissões de NOx, CO e CO2.[0006] Still, in the current state of the art, convective burners typically do not have devices or mechanisms for simultaneously reducing NOx, CO and CO2 emissions.

[0007] Adicionalmente, no estado atual da técnica, queimadores convectivos utilizam-se, tipicamente, de combustíveis nobres, de alto poder calorífico, preferencialmente gás natural e GLP.[0007] Additionally, in the current state of the art, convective burners typically use noble fuels, with high calorific value, preferably natural gas and LPG.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [0008] O equipamento em questão, “QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO”, motivo deste pedido de patente, tem como objetivo geral reduzir o consumo de combustível e as emissões de poluentes e gases de efeito estufa, tais como CO, CO2 e NOx.OBJECTIVES OF THE INVENTION [0008] The equipment in question, “RECOVERY CONVECTIVE BURNER”, the reason for this patent application, has the general objective of reducing fuel consumption and emissions of pollutants and greenhouse gases, such as CO, CO2 and NOx .

[0009] Entre os objetivos específicos da invenção, está a recuperação de parte do calor dos produtos da combustão utilizando-a no preaquecimento do ar de combustão. Os gases de exaustão têm, assim, amenizada sua temperatura de descarte para o ambiente. A correspondente redução no consumo de combustível e na emissão de CO2 é estimada em cerca de 10%, com drástica redução das emissões de CO.[0009] Among the specific objectives of the invention, is the recovery of part of the heat from the products of combustion using it in the preheating of the combustion air. Exhaust gases have thus reduced their discharge temperature to the environment. The corresponding reduction in fuel consumption and CO2 emissions is estimated at around 10%, with a dramatic reduction in CO emissions.

[0010] Outro objetivo específico traduzido no projeto da invenção está na substancial elevação da velocidade de injeção do ar de combustão, o que resulta em alta taxa de recirculação, que, por sua vez, atenua os picos de temperatura e proporciona redução estimada em cerca de 30% das emissões de NOx.[0010] Another specific objective translated into the project of the invention is the substantial increase in the injection speed of the combustion air, which results in a high rate of recirculation, which, in turn, attenuates the temperature peaks and provides an estimated reduction of about 30% of NOx emissions.

[0011] Por fim, objetiva-se viabilizar a utilização de combustíveis de baixo poder calorífico pela expressiva melhora nas condições em que ocorre a reação de combustão, incluindo gases residuais industriais, tais como gás de alto forno (GAF / BFG: blastfurnace gas), gás de coqueria (COG: coke oven gas) ou gás de síntese (syngas).[0011] Finally, the objective is to enable the use of low calorific fuels by expressive improvement in the conditions in which the combustion reaction occurs, including industrial waste gases, such as blast furnace gas (GAF / BFG: blastfurnace gas) , coke oven gas (COG: coke oven gas) or synthesis gas (syngas).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS E LEGENDA [0012] A seguir, explica-se a invenção com referência às figuras anexas, que a representam de forma ilustrativa e não limitativa:BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES AND LEGEND [0012] The following explains the invention with reference to the attached figures, which represent it in an illustrative and non-limiting way:

[0013] FIGURA 1: Vista em perspectiva do QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO;[0013] FIGURE 1: Perspective view of the RECOVERY CONVECTIVE BURNER;

Petição 870180005270, de 19/01/2018, pág. 8/18Petition 870180005270, of 19/01/2018, p. 8/18

3/5 [0014] FIGURA 2: Corte longitudinal do QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO;3/5 [0014] FIGURE 2: Longitudinal section of the RECUPERATIVE CONVECTIVE BURNER;

[0015] FIGURA 3: Corte transversal do QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO;[0015] FIGURE 3: Cross section of the RECOVERY CONVECTIVE BURNER;

[0016] FIGURA 4: Vista em perspectiva de variante construtiva do QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO;[0016] FIGURE 4: Perspective view of the constructive variant of the RECUPERATIVE CONVECTIVE BURNER;

[0017] FIGURA 5: Corte longitudinal de variante construtiva do QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO.[0017] FIGURE 5: Longitudinal section of the constructive variant of the RECUPERATIVE CONVECTIVE BURNER.

[0018] Legenda:[0018] Caption:

(1) Tubos internos e coaxiais ao queimador (2) Entrada de ar de combustão (3) Tubo de combustível (4) Saída de gases de exaustão após troca de calor (5) Chicanas(1) Internal and coaxial tubes to the burner (2) Combustion air inlet (3) Fuel tube (4) Exhaust gas outlet after heat exchange (5) Chicanas

DESCRIÇÃO DETALHADA DO PROJETO DA INVENÇÃO [0019] Projeto: O QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO” é caracterizado pela presença de um conjunto de tubos internos e coaxiais ao queimador (1), conectados à entrada de ar de combustão (2) e posicionados em torno do tubo de combustível (3), localizado no eixo central do queimador.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION DESIGN [0019] Project: THE RECOVERY CONVECTIVE BURNER ”is characterized by the presence of a set of internal and coaxial tubes to the burner (1), connected to the combustion air inlet (2) and positioned around the tube fuel (3), located on the central axis of the burner.

[0020] O corpo do queimador é dotado de uma ou múltiplas saídas de gases de exaustão após troca de calor (4), sendo preferencialmente duas saídas diametralmente opostas. Tal configuração corresponde ao número mínimo de saídas que permite escoamento em simetria radial. O escoamento através das saídas de gases de exaustão após troca de calor (4) pode se realizar por sucção forçada ou por convecção natural. No lado do casco do queimador, chicanas (5) de qualquer modelo conhecido podem ser instaladas, promovendo aumento da turbulência do escoamento dos produtos da combustão e elevando o tempo de residência e a eficiência da troca de calor.[0020] The burner body is provided with one or multiple exhaust gas outlets after heat exchange (4), preferably two diametrically opposite outlets. Such a configuration corresponds to the minimum number of outlets that allows flow in radial symmetry. The flow through the exhaust gas outlets after heat exchange (4) can be carried out by forced suction or by natural convection. On the side of the burner hull, baffles (5) of any known model can be installed, promoting increased turbulence in the flow of combustion products and increasing the residence time and the efficiency of heat exchange.

[0021] O projeto básico de construção da invenção é ilustrado na FIGURA 1, FIGURA 2 e FIGURA[0021] The basic construction project of the invention is illustrated in FIGURE 1, FIGURE 2 and FIGURE

3.3.

[0022] Uma possível variante construtiva, ilustrada na FIGURA 4 e FIGURA 5, viabiliza o estagiamento de chama a partir do próprio queimador. Nessa forma de construção, os tubos internos e coaxiais ao queimador (1) não são todos de mesmo comprimento. Com comprimentos distintos entre si, injetam ar a diferentes distâncias da saída do tubo de combustível (3),[0022] A possible constructive variant, illustrated in FIGURE 4 and FIGURE 5, enables flame staging from the burner itself. In this form of construction, the internal and coaxial tubes to the burner (1) are not all of the same length. With different lengths, they inject air at different distances from the fuel pipe outlet (3),

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4/5 permitindo um maior controle do comprimento de chama e queima estagiada. Como resultado, tem-se uma maior uniformidade de temperaturas e eventual redução suplementar das emissões de NOx.4/5 allowing greater control of flame length and staged burning. As a result, there is a greater uniformity of temperatures and possible further reduction of NOx emissions.

[0023] Uma possível variante operacional consiste na inversão entre as posições de injeção de ar de combustão e de combustível, tendo-se combustível injetado pela entrada de ar de combustão (2) e ar de combustão alimentado pelo tubo de combustível (3), de modo que o combustível seja preaquecido. Essa operação viabiliza o uso de combustíveis de baixo poder calorífico.[0023] A possible operational variant is the inversion between the combustion air and fuel injection positions, with fuel injected through the combustion air inlet (2) and combustion air fed by the fuel pipe (3), so that the fuel is preheated. This operation enables the use of low calorific fuels.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA OPERAÇÃO DA INVENÇÃO [0024] Operação: No QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO, combustível líquido ou gasoso, é alimentado ao tubo de combustível (3), ao mesmo tempo em que ar, enriquecido ou não de oxigênio, é adicionado através da entrada de ar de combustão (2). Da mistura e reação, resultam os produtos da combustão. Os produtos da combustão fornecem um percentual de sua energia ao equipamento em que são injetados e são, a seguir, parcialmente readmitidos ao queimador, escoando na superfície externa aos tubos internos e coaxiais ao queimador (1). Os tubos atuam como trocadores de calor, reduzindo a temperatura dos produtos da combustão que escoam em sua superfície externa em contracorrente ao ar de combustão, que é preaquecido em seu interior.DETAILED DESCRIPTION OF THE OPERATION OF THE INVENTION [0024] Operation: In the RECUPERATIVE CONVECTIVE BURNER, liquid or gaseous fuel is fed to the fuel tube (3), at the same time that air, enriched or not with oxygen, is added through the inlet. combustion air (2). The products of combustion result from mixing and reaction. The products of combustion supply a percentage of their energy to the equipment in which they are injected and are then partially readmitted to the burner, draining on the external surface of the internal tubes and coaxial to the burner (1). The tubes act as heat exchangers, reducing the temperature of the combustion products that flow on their external surface in countercurrent to the combustion air, which is preheated inside.

[0025] Nessa interação que ocorre ao longo dos tubos internos e coaxiais ao queimador (1), a temperatura da parte dos produtos da combustão utilizada na troca de calor é reduzida. Essa corrente de menor calor residual é, então, conduzida ao ambiente através da saída de gases de exaustão após troca de calor (4).[0025] In this interaction that occurs along the internal and coaxial tubes to the burner (1), the temperature of the part of the combustion products used in the heat exchange is reduced. This current of less residual heat is then conducted to the environment through the exhaust gases after heat exchange (4).

[0026] Na região em torno do tubo de combustível (3), onde estão dispostos os tubos internos e coaxiais ao queimador (1), podem ser opcionalmente posicionadas chicanas (5) como obstáculo ao escoamento, elevando a turbulência, o tempo de residência e a eficiência da troca de calor.[0026] In the region around the fuel pipe (3), where the internal and coaxial pipes are arranged to the burner (1), baffles (5) can be optionally positioned as an obstacle to flow, increasing the turbulence, the residence time and the efficiency of heat exchange.

[0027] O uso do QUEIMADOR CONVECTIVO RECUPERATIVO resulta em redução no consumo de combustível com relação ao estado da técnica, estimada em 10%, com correspondente redução das emissões de CO2.[0027] The use of the RECOVERY CONVECTIVE BURNER results in a reduction in fuel consumption in relation to the state of the art, estimated at 10%, with a corresponding reduction in CO2 emissions.

[0028] Ademais, ao escoar pelos tubos internos e coaxiais ao queimador (1), o ar de combustão passa pelo interior do queimador em região de diâmetro consideravelmente inferior ao que se encontra no estado da técnica, de modo que a velocidade de injeção de ar de combustão é[0028] Furthermore, when flowing through the internal and coaxial tubes to the burner (1), the combustion air passes through the interior of the burner in a region of considerably smaller diameter than that found in the state of the art, so that the injection speed of combustion air is

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5/5 elevada expressivamente, proporcionando intensa recirculação e consequente redução das emissões de NOx. A redução com relação ao estado da técnica é estimada em cerca de 30%.5/5 significantly increased, providing intense recirculation and consequent reduction in NOx emissions. The reduction in relation to the state of the art is estimated at around 30%.

[0029] Com relação à durabilidade do queimador, a própria circulação do ar de combustão em alta velocidade - e, portanto, com baixo tempo de residência no interior dos tubos internos e coaxiais ao queimador (1) - proporciona constante arrefecimento, garantindo integridade mecânica, mesmo sob as mais severas condições de preaquecimento do ar de combustão.[0029] Regarding the durability of the burner, the very circulation of combustion air at high speed - and therefore with a low residence time inside the internal tubes and coaxial to the burner (1) - provides constant cooling, guaranteeing mechanical integrity , even under the most severe combustion air preheating conditions.

Claims

1. RECUPERATIVE CONVECTIVE BURNER with thermal load above 1 MW, characterized by a heat recovery system consisting of internal and coaxial tubes to the burner (1), with multiple injection and preheating of the combustion or fuel air.

2. RECOVERY CONVECTIVE BURNER according to claim 1, characterized by selective variation in the length of some of the internal and coaxial tubes to the burner (1), providing staged burning.

3. RECOVERY CONVECTIVE BURNER according to claim 1 or 2, characterized by having baffles (5) that increase the residence time of combustion products and, thus, increase the efficiency of the heat recovery system.

4. RECOVERY CONVECTIVE BURNER according to claim 1 or 2, characterized by one or multiple exhaustion gas outlets after heat exchange (4), making it easier to control pressure loss and thermal uniformity within the heat recovery system.

5. RECOVERY CONVECTIVE BURNER according to claims 1 to 4, characterized by fuel injection through the combustion air inlet (2) and combustion air injection through the fuel pipe (3), so that it can operate with exhaust gases low calorific value.