BR112012012675A2

BR112012012675A2 - método para aquecer um aquecedor de ar para alto-forno

Info

Publication number: BR112012012675A2
Application number: BR112012012675-0A
Authority: BR
Inventors: Andy Cameron; Tomas Ekman; Mats Gartz
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2020-08-11
Also published as: KR20120094949A; JP2013512339A; AU2010325221B2; RU2548552C2; EP2513345A4; KR101706053B1; AU2010325221A1; PL2513345T3; US9896735B2; CN102770564A; EP2513345A1; RU2012126542A; US20120322017A1; ES2567784T3; JP5717754B2; EP2513345B1; CN107090530A; WO2011065907A1

Abstract

MÉTODO PARA AQUECER UM AQUECEDOR DE AR PARA ALTO-FORNO. A presente invenção refere-se a um método para aquecer um aquecedor de ar para alto-forno (500) através da combustão de um combustível com um valor de aquecimento inferior (LHV) de 9 MJ/NM3 ou menos em uma zona de combustão disposta em uma câmara de combustão (301;401;501;601) no aquecedor de ar, e fazendo com que os gases de combustão fluam através de e, desse modo, aqueçam o material refratário (502) no aquecedor de ar. A invenção é caracterizada pelo fato de que o combustível é comburido com um oxidante que compreende pelo menos 85% de oxigênio, e que faz com que os gases de combustão sejam recirculados para a zona de combustão e, através disso, diluam a mistura de combustível e oxidante no mesmo suficientemente para que a combustão não tenha chama.

Description

Relatório Descritivo da Patente de lnvenção para "MÉTODO « PARA AQUECER UM AQUECEDOR DE AR PARA ALTO-FORNO". A presente invenção refere-se a um método para aquecer o a- quecedor de ar para alto-forno para uso com um alto-forno. 5 O ar de combustão alimentado para um alto-forno é, de maneira típica, preaquecido com o uso de um aquecedor de ar, que compreende ma- terial refratário que é aquecido com o uso de um queimador.

Quando o ma- terial está suficientemente aquecido, o ar de combustão é passado através dos fornos para se preaquecer antes de ser injetado no alto-forno.

Normal- lO mente, muitos fornos são operados em paralelo e ciclicamente, de modo que pelo menos um aquecedor de ar seja operado para aquecer o ar de combus-

. tão enquanto o material refratário de peio menos um aquecedor de ar é a- quecido. m De modo convencional, o gás de topo que deixa o alto-forno tem 15 uma temperatura de cerca de 110 a 120°C e contém cerca de 20 a 25°/o de CO e CO2 cada.

De maneira típica, de 3 a 5% H2 e um pouco de H20 tam- bém estarão presentes, mas o outro constituinte principal do gás de topo é N2 (de maneira típica, de 45 a 57°/o). O gás constitui um combustível de bai- xo grau, que tem um valor calorífico relativamente baixo, e é comumente 20 usado para abastecer os aquecedores de ar.

O gás de topo é normalmente comburido com uso de queimado- res de ar combustível nos fornos.

A fim de assegurar o jato de ar de alta temperatura necessário para o alto-forno, é conhecido o enriquecimento do gás de topo com um gás de alto valor calorlfico, tal como gás de coqueira ou 25 gás natural.

A combustão de tal combustível adicional gera maiores emis- sões globais de dióxido de carbono a partir da usina, e, desse modo, não é desejável.

É conhecido ainda o enriquecimento com oxigênio do ar de combustão usado em queimadores de chaminé.

Com frequência, os níveis 30 de enriquecimento necessários para reduzir ou eliminar a necessidade de adicionais, combustíveis de alto poder calorífico são tais que resultam em um oxidante final que contém oxigênio no ar de combustão em cerca de 28 a

3Õ°/o.

Tais métodos podem, em alguns casos, render temperaturas de chama com alto pico, suficientes para danificar o material refratário do aque- cedor de ar, e pode ser necessário, por exemplo, alimentar uma taxa de ar 5 em excesso para suprimir a temperatura de chama. É conhecido ainda preaquecer, com o uso de unidades de recu- peração de calor, o combustível e o ar alimentados para os queimadores do aquecedor de ar. Todos os métodos descritos acima aumentam a complexidade do processo e requerem equipamentos dispendiosos. O próprio alto-forno é um reator contracorrente altamente eficaz que tem evoluído bastante ao longo de muitos anos. Aproxima-se dos limites de eficácia da termodinâmica, visto que é difícil reduzir consumo de energia em relação às melhores práticas de operação atuais. Além disso, o alto- forno e seu equipamento auxiliar, tal como fornos, são os maiores consum j- dores de energia em um trabalho integrado a ferro e a aço. Além disso, a energia consumida na produção de ferro é o fator dominante que determina o consumo de carbono do processo de produção de aço integrado, e, assim as emissões de dióxido de carbono. Desse modo, seria desejável aumentar a eficácia térmica dos aquecedores de ar de alto-forno. Com o uso das assim chamadas técnicas de "captura de carbo- no", é possível separar dióxido de carbono do aquecedor de ar gás de esca- pe, a fim de diminuir as emissões. Entretanto, tal separação é relativamente dispendiosa. Assim, seria desejável projetar um aquecedor de ar para alto- forno que permita reduzir os custos da captura de carbono. Além disso, para o problema das temperaturas de pico alto men- cionadas acima, temperaturas de chama ou taxas de entrada de calor muito baixas conduzirão longos ciclos de aquecimento, o que não é desejável. Em outras palavras, a temperatura de chama precisa ser moderada. A presente invenção resolve os problemas descritos acima. Desse modo, a presente invenção refere-se a um método para aquecer um aquecedor de ar para alto-forno através da combustão de um

. combustível com um valor de aquecimento inferior (LHV) de 9 Mj/Nm3 ou menos em uma zona de combustão, disposto em uma câmara de combustão no aquecedor de ar, e faz com que os gases de combustão fluam através do material refratário no aquecedor de ar, aquecendo-o dessa forma, e pelo fato 5 de fazer com que os gases de combustão sejam recirculados na zona de combustão e, desse modo, diluir a mistura de combustível e oxidante no mesmo, de modo suficiente para a combustão não ter chama.

A seguir, a invenção será descrita em detalhes, com referência a modalidades da invenção e aos desenhos anexos, em que: 10 a figura 1 é uma ilustração simplificada de um alto-forno e três fornos em um trabaiho com ferros tradicionais; a figura 2 é uma vista em corte que ilustra um aquecedor de ar convencionaf de um modelo moderno com câmara de combustão externa; « a figura 3 é uma vista em corte de um aquecedor de ar com Ian- 15 ças adicionais de acordo com a presente invenção; a figura 4 é uma vista detalhada em corte de um aquecedor de ar com um queimador de oxicombustível de acordo com a presente inven- ção; a figura 5 é uma vista em corte de um aquecedor de ar com reci- 20 ciagem de gás de combustão de acordo com a presente invenção; e a figura 6 é uma vista detalhada em corte de um aquecedor de ar com um ejetor de lança de acordo com a presente invenção.

A figura 1 ilustra a principal disposição de um alto-forno 120 e de três fornos 100 em um trabalho a ferros.

A operação do alto-forno 120 pro- 25 duz gás de topo de alto-forno, que é alimentado, com o uso de um dispositi- vo de controle de fornecimento de combustível 110, para cada aquecedor de ar 100 a ser usado como combustível para aquecer o aquecedor de ar 100 em questão.

O gás de topo é comburido com um oxidante na forma de ar, que é alimentado por um dispositivo de controle de abastecimento de ar 130. 30 Cada aquecedor de ar 100 compreende material refratário na forma de tijolos de cerâmica ou similar, que é primeiro aquecido e depois usado para aquecer jato de ar que é alimentado para o alto-forno.

W Quando operado em modo de aquecimento de material refratário (modo "em gás"), o gás de topo é comburido no aquecedor de ar 100 com o agente oxidante, e os gases de combustão são alimentados para um dispo- sitivo de tratamento de gás de escape 150, que possivelmente inclui uma 5 etapa de captura de carbono tradicional.

Quando operado em modo de aquecimento de ar por jato (modo "em jato"), o ar é conduzido através do material refratário em direção oposta, e, então, para o alto-forno 120. Os fornos 100 são operados ciclicamente, de modo que, em 10 qualquer ponto no tempo, pelo menos um aquecedor de ar é operado em jato e o restante dos fornos é operado em gás.

A figura 2 é uma vista em corte completa de um aquecedor de ar convencional 100 de um modelo moderno.

O aquecedor de ar 100 compre- ende uma câmara de combustão externa 101, material refratário 102 e um 15 domo 103. Quando operado em gás, é fundamental que a temperatura no domo 103 não fique muito alta, visto que existe, dessa maneira, um risco de dano para o aquecedor de ar 100. Deve-se entender que também existem fornos com câmaras de combustão interna, e que a presente invenção é j- gualmente aplicável para operação de tais aquecedores de ar. 20 Quando operado em gás, o gás e ar de topo são alimentados para uma zona de combustão da câmara de combustão 101, em que a com- bustão ocorre, através de um queimador de ar 108. O queimador 108 com- preende uma entrada de combustível 105 e uma entrada de ar 104. Os ga- ses de combustão aquecidos, em seguida, fluem através da câmara 101, 25 passando pelo domo 103 e descendo através do material refratário 102, a- quecendo, assim, o último.

Quando sai através da porta 106, a temperatura dos gases de combustão é, convencionalmente, cerca de 200 a 350°C.

Quando o material refratário alcança a temperatura predetermi- nada, a operação é trocada para uma operação em jato.

Então, o ar é intro- 30 duzido através da porta 106, corre através do material refratário aquecido 102, através do domo 103 e da câmara de combustão 101, e para fora atra- vés de uma porta de saída 107. Nesse ponto, o jato de ar tem uma tempera-

. turatípicade 11OOa1200°C. É preferencial, no contexto da presente invenção, aquecer o a- quecedor de ar com gás de topo de alto-forno, conforme descrito acima. A- lém disso, é preferencial o uso gás de topo a partir de um alto-forno para o 5 qual o jato de ar é fornecido a partir do aquecedor de ar. Isso permite a dis- posição do aquecedor de ar próxima ao alto-forno, é eficiente em termos energéticos e gera a redução total de emissões a partir da usina. Entretanto, deve-se entender que a presente invenção pode ser aplicada, de modo igualmente vantajoso, para fornos aquecidos com outros 10 combustíveis de baixo grau. A título de exemplo, composições químicas típi- cas (valores percentuais) e valores caloríficos menores (LHV) são fornecidos nas Tabelas I e ll, respectivamente, para gás de topo de alto-forno e conver- sor de gases exalados. . Tabela 1 N, O, H, CO CO, CH, CmH, H,O Gás de topo 52,5 0,55 2,3 23,5 20 - - 1,15 Gás exalado 17,2 0,1 2,5 64,5 15,6 - - 0,1 15 Tabela 2 LHV (Mj/Nm' LHV (MJ/k Gás de topo 3,2 2,4 Gás exalado 6,3 8,4 De acordo com a presente invenção, o aquecedor de ar é aque- cido com um combustível gasoso cujo valor LHV não é maior que 9 Mj/Nm3.

O uso de tal combustível de baixo grau vai tirar maior proveito do possÍvel custo benefício da presente invenção. O combustível pode compreender cer- 20 ta adição de outro combustível de grau mais alto, enquanto o valor LHV da mistura é igual a ou menor que 9 Mj/Nm3. A fim de minimizar os custos e as emissões, é preferencial, entretanto, não ad icionar combustíveis de alto grau antes da combustão. De acordo com presente invenção, tal combustível de baixo grau 25 é usado para aquecer o aquecedor de ar através da combustão do mesmo, não com ar ou com ar ligeiramente enriquecido com oxigênio, mas com um oxidante que compreende pelo menos 85% por peso, preferencialmente,

. pelo menos 95°/o por peso de oxigênio, em que o oxidante, mais preferivel- mente, é oxigênio industrialmente puro, com um teor de oxigênio de essen- cialmente 100%. lsso aumentará a eficácia do combustível, visto que o Iastro de 5 nitrogênio presente no ar não precisa ser aquecido.

Além disso, através da redução do lastro de nitrogênio nos produtos de combustão, as temperaturas de chama necessárias podem ser alcançadas sem a necessidade de suple- mentar o gás combustível de baixo grau com combustíveis de alto grau calo- rífico.

A demanda de energia reduzida facilitará o aumento da geração de 10 energia e/ou gerar uma redução da necessidade de importação de gás, me- lhorando, assim, o gerenciamento de combustível.

Normalmente, com o uso de um oxidante com tais altos teores de oxigênio seriam geradas temperaturas de pico altas o suficiente para da- nificar o domo e o material refratário do aquecedor de ar. 15 Entretanto, os presentes inventores observaram que é possÍvel usar esse tipo de oxidante sob a condição de que os gases de combustão do aquecedor de ar sejam recirculados na zona de combustão de tal modo que a mistura de combustível e oxidante no mesmo seja suficientemente diluída para a combustão na zona de combustão, para ser do tipo normalmente re- 20 ferido como "sem chama". No presente documento, uma combustão "sem chama" denota um modo de oxidação sem chama, alcançado através de forte diluição de oxidante e gás combustível a ser fortemente diluída os ga- ses de escape recirculados antes da parte principal do processo de combus- tão ocorrer na zona de combustão.

Deste modo, uma combustão é alcança- 25 da sem chama visível, em outras palavras, uma chama que não é ou quase não é visível aos olhos humanos.

Outro modo de expressar é que os reagen- tes de combustão são tão diluídos que a combustão é uma combustão do tipo volume", sem chama estável.

Esses "gases de combustão são recirculados para a zona de 30 combustão", no presente documento, refere-se ao fato de que os gases de combustão localizados fora da zona de combustão são recirculados de volta para zona de combustão.

Tais gases de combustão podem, originalmente,

. ser Iocalizados dentro da própria câmara de combustão, mas no exterior da parte da câmara de combustão ocupada pela zona em que combustão se realiza principalmente (a "zona de combustão"). Desse modo, nesse caso, os gases de combustão são, de fato, recirculados dentro da câmara de com- 5 bustão.

Como alternativa, tais gases de combustão podem ser recirculados no exterior da câmara de combustão de volta para a zona de combustão.

Como será descrito em detalhes a seguir, a diluição dos reagen- tes pode ser alcançada também através da criação de turbulência forte den- tro da câmara de combustão com o uso de Iancetamento de oxidante de afta 10 velocidade, possivelmente com o uso de um esquema de combustão fracio- nada, e/ou a reciclagem de gases de escape a partir do aquecedor de ar de volta para a zona de combustão.

Observou-se que, com o uso de tal combustão sem chama com um oxidante com conteúdos muito grandes de oxigênio, é possÍvel alcançar 15 temperaturas de chama com pico suficientemente baixo de modo a não dani- ficar o aquecedor de ar.

Além disso, temperaturas de chama suficientemente altas são alcançáveis.

Ademais, quando um oxidante com alto teor de oxigênio é usado para comburir outros combustíveis de baixo grau, tais como, gás de topo de 20 alto-forno, os conteúdos de CO2 dos gases de combustão tornam-se consi- deravelmente maiores em comparação com quando se usa ar ou ar ligeira- mente enriquecido com oxigênio como oxidante.

Visto que as técnicas con- vencionais de captura de carbono tendem a ser consideravelmente menos dispendiosas por unidade de CO2 capturado quando o gás tratado contém 25 uma parcela maior de dióxido de carbono, isso gera uma considerável eco- nomia de custo quando se usa tal etapa de captura de carbono para tratar o ar de combustão de aquecedor de ar.

A figura 3 mostra uma modalidade preferencial da invenção.

Um aquecedor de ar 300, que é similar ao convencional 200 mostrado na figura 30 2, compreende uma câmara de combustão 301, material refratário 302, um domo 303, uma entrada304 usada para o ar de combustão quando o aque- cedor de ar é operado de um modo convencional com ar combustão, outra

. entrada 305 usada para outros combustíveis de baixo grau, tal como, gás de topo, e as portas de entrada 306, 307 similar às portas de entrada 206, 207. Em vez de comburir o combustível de baixo grau com ar, uma ou muitas lan- ças 310, 311, 312 são inseridas na câmara de combustão, e são usadas pa- 5 ra alimentar oxidante com alto teor de oxigênio definido anteriormente na zona de combustão.

O oxidante pode ser fornecido pela produção de oxigê- nio local ou com o uso de um oxidante externamente fornecido.

Em todas as modalidades descritas no presente documento, a quantidade total de oxidante por unidade de tempo é balanceada em oposi- lO ção à quantidade de combustível de baixo grau alimentado, de modo a criar as condições desejadas para a em termos de estequiometria.

É preferencial que cada Iança 310, 311, 312 alimente oxidante para a zona de combustão alta veiocidade, preferencialmente, pelo menos 200 m/s, mais preferencialmente, pelo menos à velocidade do som.

Tal lan- 15 cetamento de alta velocidade gera turbulência forte na câmara de combus- tão, em após outro, incluir gases de combustão na zona de combustão e, desse modo, diluir a chama de modo a alcançar a combustão sem chama.

De acordo com uma modalidade preferencial, uma Iança 310 é disposta com seu orifício em grande proximidade com o orifício da entrada 20 de combustível 305. De acordo com outra modalidade preferencial, uma lan- ça 311 é disposta em uma posição a uma distância do orifício da entrada de combustível 305. Dependendo da geometria da câmara de combustão 301, uma dessas disposições, ou a combinação de ambas, pode fornecer a me- lhor recirculação de gases de combustão para a zona de combustão.

Uma 25 lança suplementar 312, disposta também à jusante em relação à outra lança ou lança 310, 311, pode ser usada para fornecer um processo de combustão fracionada, através do qual o volume total da chama pode ser produzido ain- da maior.

Naturalmente, mais de uma lança de cada um dos tipos descritos 310, 311, 312 podem ser dispostas para se complementarem umas as ou- 30 tras.

No caso de o agente oxidante ser Iançado em grande proximidade com a entrada de combustível 305, é preferencial ainda que a lança oxidante seja também à jusante de modo a criar um processo de combustão fracionada.

e A figura 4 é uma ilustração de vista superior de outra modalidade preferencial, em que um aquecedor de ar para alto-forno 400 compreende uma câmara de combustão 401, material refratário 402 e uma porta 406. O combustível de baixo grau é alimentado através de um canal 5 de alimentação 411, um dispositivo de alimentação 412 e uma entrada 413. O oxidante é alimentado através de um canal de alimentação 414, um dispo- sitivo de alimentação 415 e uma lança que compreende um orifício 416. A lança é disposta de modo que seu orifício 416 é disposto adjacente à entra- da de combustível 413. De preferência, a Iança corre de modo coaxial à en- lO trada de combustível 413, conforme mostrado na figura 6. Através de tal dis- posição adjacente, especialmente quando coaxial, e quando o agente oxi- dante é lançado nas altas velocidades conforme descrito acima, o combustí- vel é, de modo eficiente, introduzido na zona de combustão através da ação do ejetor na parte do oxidante de alta velocidade.

Como resultado, a recircu- 15 lação forte de produtos de combustão é alcançada na câmara de combustão 401, em particular, a recirculação de gases de combustão na zona de com- bustão expande a chama para frente.

Quando tal lança de alta velocidade é disposta ad jacente à entrada de combustível 413, é preferencial o uso simul- tâneo de uma Iança oxidante secundária 312, que fornece parte do oxigênio 20 totalmente alimentado em outro local na câmara de combustão 401 à jusante da entrada de combustível 413, que cria uma combustão fracionada do combustível de baixo grau e, através disso, facilita-se o alcance de uma combustão sem chama.

De acordo com uma modalidade muito preferencial, um queima- 25 dor de ar convencional existente, que foi usado para aquecer previamente o aquecedor de ar existente 400, é recolocado em uma etapa inicial através de um queimador de oxicombustível 410, que compreende a entrada de com- bustível 413 e a lança oxidante descritas acima.

Um queimador "oxicombus- tível", no presente documento, refere-se a um queimador induzido com um 30 combustível e um oxidante, em que o oxidante compreende uma grande par- te de oxigênio, preferencialmente, pelo menos 85% de oxigênio, mais prefe- rencialmente, pelo menos 95% de oxigênio.

R De acordo com uma modalidade muito preferencial alternativa, o queimador de ar existente descrito acima é, em uma etapa inicial, suplemen- tado com uma ou muitas lanças oxidantes de alta velocidade, conforme des- crito anteriormente, e a alimentação de ar é terminada. 5 Conforme descrito anteriormente, tal lancetagem de alta veloci- dade gera turbulência forte dentro da câmara de combustão 301, 401, con- duzindo uma combustão sem chama e, desse modo, temperaturas de cha- ma com pico suficientemente baixo.

Entretanto, a taxa do fluxo de massa dos gases de combustão 10 será menor quando se utiliza um oxidante com alto teor de oxigênio, em comparação com quando se utiliza o ar como oxidante.

Isso conduzirá uma transferência de calor por convecção menor para o material refratário e, des- se modo, tempos de ciclo de aquecimento mais longos.

Assim, quando se . converte um aquecedor de ar existente para oxidante com alto teor de oxi- 15 gênio operação, é preferencial reciclar os gases de escape do aquecedor de ar de volta para a zona de combustão, conforme descrito anteriormente, em conexão com as figuras 5 e 6. Desse modo, a figura 5 é uma ilustração de vista superior de um aquecedor de ar 500 de acordo com uma outra modalidade preferencial, que 20 compreende uma câmara de combustão 501, material refratário 502 e um domo 503. Durante a operação em gás, os gases de combustão deixam o aquecedor de ar 500 através de uma porta 506. Entretanto, parte dos gases de combustão é reciclada de volta para a zona de combustão na câmara de 25 combustão 501 através de um dispositivo de reciclagem 511. O dispositivo de retroalimentação 511 pode incluir um dispositivo de propulsão, tal como uma ventoinha, para alimentar o gás de combustão reciclado para câmara de combustão 501. O dispositivo de reciclagem 511 é ainda disposto para misturar o 30 gás de combustão reciclado com um oxidante com alto teor de oxigênio de uma composição conforme descrito anteriormente, fornecido através de um canal de alimentação 512. A mistura pode ocorrer com o uso de difusores

. convencionais. A mistura de gás de combustão reciclado e oxidante é, en- tão, alimentada apara a câmara de combustão 501 através de uma entrada

513. Um combustível de baixo grau, tal como gás de topo, é fornecido, atra- vés de um canal de alimentação 514, um dispositivo de alimentação 515 e 5 uma entrada 516. Na zona de combustão, o combustível é, então, comburido com o oxidante na presença dos gases de combustão que foram reciclados na zona de combustão após já terem passado pelo aquecedor de ar 500. Desse modo, a chama na câmara de combustão 501 é diluída Com o uso de tal reciclagem do gás de escape, cerificou-se que 10 é possÍvel alcançar taxas de transferência de calor por convecção suficien- temente altas, de modo a ser capaz de manter o tempo do ciclo de aqueci- mento de um aquecedor de ar existente, em que se aplica um método de acordo com a presente invenção. Isso é alcançado através da reciclagem de . uma quantidade suficiente de gases de combustão para manter a massa de 15 gás ou fluxo de energia térmica por unidade de tempo através o aquecedor de ar 500, em um nível que é pelo menos o mesmo da massa de gás ou flu- xo de energia térmica por unidade de tempo que foi usado quando o aque- cedor de ar existente foi operado, antes da conversão para operação de a- cordo com a presente invenção, com o uso de um oxidante com baixo teor 20 de oxigênio sem reciclagem. lsso envolve balancear a quantidade de gases de combustão re- ciclados com a quantidade fornecida de combustível de baixo grau e oxidan- te por unidade de tempo. A Tabela 3 ilustra um exemplo de tal balanceamen- to, em que um primeiro modo de operação, no qual o gás de coqueira, enri- 25 quecido com gás de topo de alto-forno, é comburido com ar, sem recicla- gem, é descrito e comparado a um segundo modo correspondente de ope- ração, em que o oxigênio industrialmente puro é usado como o oxidante e certa quantidade de reciclagem é introduzida de acordo com a presente in- venção. Como pode ser visto na Tabela 3, a temperatura de chama e o fluxo 30 de massa de gás através do material refratário 502 do aquecedor de ar 500 são mantidos essencialmente no mesmo nível quando é aplicado o método inventivo, ao mesmo tempo em que o calor de combustão é reduzido.

.

W 0 .Q

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+ No modo de operação "convencional" da Tabela 3, quarto fornos são operados a fim de ceder 195000 Nm3/h de jato de ar em uma temperatu-

ra de 1125°C.

O aquecimento desse volume de ar a partir da temperatura requer 308 GJ de energia por hora, fornecida por ter dois fornos "em jato". 5 Portanto, toda a eficácia do aquecedor de ar, definida como (energia em jato de ar) / (calor de combustão alimentado aos fornos), é 308/(2 a 208) ou cer- ca de 74%. Parte dessa ineficácia é associada ao com gás de escape sensl- vel a calor.

O dispositivo de reciclagem 511 é disposto para reciclar gases 10 de combustão, suficientes para tornar a combustão na zona de combustão sem chama, através da redução da concentração de oxigênio na câmara de combustão 501. A fim de tornar a combustão na zona de combustão sem chama, cerificou-se que uma porcentagem total de oxigênio volume de não mais que 15 cerca de 12%, preferivelmente não mais que cerca de 1O°/o, da parte inserida da atmosfera na câmara de combustão 501, sem se levar em conta os com- ponentes de combustível dos gases de combustão, efetivamente produzirá uma combustão sem chama.

Desse modo, é preferencial que uma quantida- de de gases de combustão suficientemente grande, seja reciclada pra gerar 20 uma concentração contínua de oxigênio na câmara de combustão 501 que é igual a ou menor que essa porcentagem.

Visto que todo o oxidante é alimentado para a câmara de com- bustão 501 através do dispositivo de reciclagem 511, e possivelmente atra- vés de uma ou várias lanças oxidantes 310, 311, 312, a quantidade de oxi- 25 gênio alimentado por unidade de tempo é conhecida.

Portanto, pode-se cal- cular a quantidade de gases de combustão para reciclagem por unidade de tempo, a fim de alcançar as concentrações de oxigênio suficientemente me- nores, conforme descrito acima.

No exemplo da Tabela 3, uma concentração de 02 de 11% é de- 30 sejada, porque para cada unidade de volume de 02, é necessário 1/0,11 a 1 - 8,1 unidades de gás inseridas.

Para cada unidade de volume de gás de topo alimentada, cerca de 0,14 unidade de voIume de O2, na forma de um

- oxidante, compreendido de oxigênio industrialmente puro, é alimentada a fim de alcançar a Lambda desejada de cerca de 1,125. Isso significa que cerca de 1/0,14 H2 7,1 unidades de combustível é alimentada para cada unidade de oxigênio.

Visto que cerca de 75% de volume de gás de topo é constituído 5 de gases inseridos, e mantendo a precisão decimal das etapas de cálculo anteriores, cada unidade de volume de 02 na câmara de combustão 501 é prontamente diluído com cerca de 7,1*0,75 - 5,4 unidades de gás inserido apenas pelo fornecimento do combustível de gás de topo.

Em outras pala- vras, uma unidade extra 8,1-5,4 = 2,7 unidades de gás inserido na forma de 10 reciclagem de gás de combustão serão necessárias por unidade lancetada de 02 para a câmara de combustão 501. lsso significa que pelo menos cerca de 38% dos gases de combustão deveriam ser recirculados a fim de alcan- çar uma concentração máxima de 02 de 11% O exemplo correspondente alcança a concentração de 11% de 15 02 na câmara de combustão com o uso de conversor de efluente gasoso como combustível, no qual o efluente gasoso requer 0,33 de unidades de volume de 02 por unidade de volume de efluente gasoso e contém apenas cerca de 1/3 por volume de gases inseridos, gera uma mistura desejada de pelo menos 7,1 unidades de gases de combustão por unidade de volume 20 lancetadas de O2, ou uma recirculação de gás de escape de pelo menos cerca de 234%. De acordo com uma modalidade preferencial, todo o oxidante é pré-misturado aos gases de combustão reciclados antes de serem introduzi- dos na zona de combustão.

Entretanto, oxidante adicional oxidante pode 25 ainda ser alimentado através de um ou mais lanças na câmara de combus- tão 501. Nesse caso, é a quantidade total de oxigênio alimentado por unida- de de tempo que deve ser usada como a base de cálculo da quantidade de gases de combustão reciclados.

Além disso, como pode se deduzir a partir das figuras dadas na 30 Tabela 3, o calor alimentado pela combustão pode ser reduzido por cerca de 7°/0, enquanto mantém essencialmente a taxa de fluxo de massa de gás taxa e temperatura de chama.

Cerificou-se que através da operação de fornos em

- um trabalho integrado a ferro e a aço de acordo com esse exemplo, com oxicombustível sem chama e capturando CO2 a partir de gás de escape, é possÍvel reduzir as emissões a partir da usina em cerca de 20°/o.

De acordo com uma modalidade preferencial, os gases de com- 5 bustão suficientes são reciclados enquanto mantêm essencialmente o mes- mo ou aumenta o fluxo de massa de gás por unidade de tempo através do material refratário.

De acordo com uma modalidade preferencial alternativa, os ga- ses de combustão suficientes são reciclados para manter essencialmente ou 10 aumentar o rendimento de energia térmica através do material refratário. lsso leva em consideração as diferentes capacidades de calor para vários componentes inseridos nos gases de combustão.

Nesse caso, é ainda prefe- rencial que gases combustíveis suficientes sejam reciclados de modo que a . temperatura de chama seja essencialmente mantida ou reduzida. 15 Ainda conforme mostrado na Tabela 3, o conteúdo de CO2 dos gases de escape expelidos a partir do aquecedor de ar 500 é muito alto - 43%, se comparado com 23% no modo de operação convencional.

O custo por unidade de peso de CO2 capturado por técnicas convencionais de captu- ra de carbono é reduzido significativamente na medida em que a concentra- 20 ção de CO2 eleva-se a partir de níveis muito baixos até um nível de aproxi- madamente 50 a 60%. Concentrações elevadas para além desse limite pro- porcionarão ganhos menores.

Como resultado, o custo para uma etapa de captura de carbono relacionado gases de escape do aquecedor de ar pode ser reduzido significativamente por unidade de peso de CO2 capturado 25 quando um oxidante com alto teor de oxigênio é usado de acordo com a presente invenção.

De acordo com uma modalidade muito preferencial, o queimador de ar convencional existente, que foi usado para aquecer previamente o a- quecedor de ar existente 500, é recolocado em uma etapa inicial através de 30 uma entrada de combustivel 516 e uma entrada para gases de combustão reciclados 513, e o combustível é, então, comburido com o oxidante com alto teor de oxigênio descrito acima.

Com essa finalidade, é preferencial que o

- oxidante seja submetido à pré-mistura com os gases de combustão recicla- dos.

De modo alternativo, é preferencial que tal pré-mistura seja combinada com uma ou mintas laças conforme descrito anteriormente.

A figura 6 é uma ilustração de vista superior de outra modalidade preferencial da presente 5 invenção, que mostra um aquecedor de ar para alto-forno 600 com uma câ- mara de combustão 601, o material refratário 602, uma porta 606, um canal para gases de combustão reciclados 610, um dispositivo de reciclagem 611, um canal de alimentação de combustível 616, um dispositivo de alimentação de combustível 617 e uma entrada de combustível 618. 10 O oxidante é alimentado através de um canal de alimentação de oxidante 613 e um dispositivo de alimentação de oxidante 614 para uma Ian- ça oxidante disposta de modo que o orifício 615 das lança seja disposto ad— jacente a um orifício 612 para alimentação de gases de combustão recicla- . dos, alimentado a partir do dispositivo de reciclagem 611. De preferência, a 15 lança oxidante funciona de modo coaxial com a entrada de gás de combus- tão reciclado 612. De um modo que é similar à função do orifício de lança coaxial 416 conforme descrito anteriormente em conexão com a figura 4, tal disposição adjacente, em especial quando coaxial, introduzirá, de modo efi- caz, os gases de combustão reciclados na zona de combustão através da 20 ação do ejetor na parte do oxidante de alta velocidade, criando mais recircu- Iação de gás de combustão na câmara de combustão 601. Ao mesmo tem- po, não é necessário um dispositivo de propulsão separado no dispositivo de reciclagem 611, visto que os gases de combustão reciclados serão propul- sados através da ação do ejetor no orifício 615. 25 A modaiidade mostrada na figura 6 é, de modo vantajoso, com- binada com uma lança oxidante adicional, que fornece oxidante adicional em um Iocal na zona de combustão localizado a uma distancia do orifício 615, atingindo, desse modo, uma combustão gradual na zona de combustão.

Conforme apontado anteriormente, é ainda preferencial que o 30 aquecedor de ar 300, 400, 500, 600 seja conectado a uma respectiva etapa de captura de carbono 350, 450, 550, 650, que pode ser convencional por si mesma, separando o conteúdo de dióxido de carbono dos gases de combus-

- tão expelidos do aquecedor de ar antes de os gases de combustão serem liberados no ambiente.

Quando a idade de um aquecedor de ar para alto-forno se apro- xima de sua expectativa de vida útil, é preferencial aplicar uma das modali- 5 dades descritas no presente documento, ou uma combinação de muitas de- las, para o aquecedor de ar.

Desse modo, a vida útil do aquecedor de ar pode ser prolonga- da, sendo operado com chamas com temperaturas menores, com taxas de produção mantidas em termos de jato de ar, melhor economia de combustí- 1O vel e menos emissões.

Desse modo, um método de acordo com a presente invenção permitirá que um aquecedor de ar para alto-forno seja operado apenas com um combustível de baixo grau, tal como gás de topo de alto-forno, sem a necessidade de enriquecimento com combustível de alto valor calorífico e 15 sem risco de que a temperatura do aquecedor de ar acarrete danos, enquan- to produz gases de escape que são mais adequados para a captura de car- bono.

Além disso, permite-se que a vida útil de um aquecedor de ar seja pro- longada.

Se uma reciclagem suficiente de gases de combustão for utiliza- 20 da, é possÍvel ainda alcançar a mesma quantidade e qualidade de jato de ar em um aquecedor de ar existente, que é convertido, de acordo com o que foi descrito anteriormente, para operar com um oxidante com alto teor de oxigê- nio, e no qual o aquecedor de ar é fornecido com a disposição de reciclagem do gás de combustão descrita acima, em conexão com a figura 5 ou 6. 25 Acima as modalidades preferenciais foram descritas.

Entretanto, é evidente para a pessoa versada que muitas modificações podem ser feitas nas modalidades descritas sem se afastar da ideia da presente invenção.

Por exemplo, qualquer um dos métodos para criar recirculação de gases de combustão, conforme descrito anteriormente, em conexão com 30 as figuras de 4 a 6, podem ser suplementadas, de modo vantajoso, com uma ou várias das lanças de oxidante conforme descrito anteriormente em cone- xão com a figura 3.

Além disso, o método de gases de combustão recirculados pro- pulsionados por ejetor, conforme descrito anteriormente, em conexão com figura 6, pode, de modo vantajoso, ser previamente misturado com uma cer- ta quantidade de oxidante com alto teor de oxigênio, de uma maneira similar 5 àquela descrita em conexão com a figura 5. Além disso, a propulsão por ejetor de gases de combustão pré- misturados ou não pré-misturados reciclados, conforme descrito anterior- mente, em conexão com a figura 6, pode ser combinado, de modo vantajo- so, com a propulsão por ejetor de combustível de baixo grau, conforme des- lO crito anteriormente em conexão com a figura 4. Desse modo, a invenção não deve se limitar às modalidades descritas anteriormente, mas pode variar dentro do escopo das reivindica- ções anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para aquecer um aquecedor de ar para alto-forno (300, 400, 500,600) mediante a combustão de um combustlvel com um valor de aquecimento inferior (LHV) de 9 Mj/Nm3 ou menos em uma zona de 5 combustão d isposta em uma câmara de combustão (301; 401; 501; 601) no aquecedor de ar, e fazer com que os gases de combustão fluam através de, e, desse modo, aqueçam o material refratário (302,402,502,602) no aque- cedor de ar, caracterizado pelo fato de que o combustível é comburido com um oxidante que compreende pelo menos 85% de oxigênio, e pelo fato de 10 que faz com que os gases de combustão sejam recirculados para a zona de combustão e, desse modo, diluam a mistura de combustível e oxidante no mesmo, de modo suficiente para a combustão não ter chama.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo 6 fato de que os gases de combustão são recirculados a partir de um local 15 dentro da própria câmara de combustão (301; 401), mas no exterior da parte da câmara de combustão ocupada pela zona de combustão, e pelo fato de que o oxidante é fornecido à zona de combustão em alta velocidade através de uma lança (310,311,312) que através disso inclui os gases de combustão na zona de combustão para alcançar a diluição da chama. 20

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o oxidante é Iançado com uma velocidade de pelo menos 200 m/s.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o oxidante é lançado pelo menos à velocidade do som. 25

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o orifício (416) da lança é disposto adjacente a uma entrada para alimentação de combustível (413) e, através disso, inclui tal combustível na zona de combustão pela ação do ejetor.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo 30 fato de que o oxidante é adicionalmente fornecido em um local na câmara de combustão (301) disposto a jusante da entrada para combustível (41 3), des- se modo atingindo uma combustão gradual na zona de combustão.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes, caracterizado pelo fato de que um queimador de ar existente em uma etapa inicial é suplementado com uma ou várias Ianças de oxidante de alta velocidade que injetam o dito oxidante. 5

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre- cedentes, caracterizado pelo fato de que os gases de combustão que fluíram através do material refratário (502,602) são ocasionados a reciclarem de volta para a zona de combustão.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo 10 fato de que os gases de combustão reciclados são pré-misturados com o dito oxidante antes de entrar na zona de combustão.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que os gases de combustão suficientes são reciclados de modo . que a porcentagem do oxigênio total por voIume da parte inerte da atmosfera 15 na câmara de combustão (501,601) que não conta os componentes combus- tíveis não inertes seja igual ou menor que 12%.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que um queimador de ar existente em um a- quecedor de ar (500) em uma etapa inicial é recolocado através de uma en- 20 trada de combustível (516) e uma entrada para gases de combustão recicla- dos (513), e que o combustível é, então, comburido com o dito oxidante.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pe- lo fato de que gases de combustão suficientes são reciclados para manter o fluxo de massa de gás por unidade de tempo através do material refratário 25 (502,602) em um nível que é pelo menos o mesmo do fluxo de massa de gás por unidade de tempo que foi usado quando o queimador de ar existente foi operado sem reciclagem.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pe- lo fato de que gases de combustão suficientes são reciclados para manter a 30 temperatura de chama em um nível que é o mesmo ou menor, e uma trans- ferência de energia térmica para o material refratário (502, 602) em um nível que é o mesmo ou maior, como a temperatura de chama e o rendimento de

- energia térmica por unidade de tempo, respectivamente, que foi usado quando o queimador de ar existente foi operado sem reciclagem.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o combustível é gás de topo de 5 alto-forno.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pe- lo fato de que o gás de topo de alto-forno é tomado a partir de um alto-forno que é alimentado com ar quente pelo aquecedor de ar (300, 400, 500, 600).