BR112014003143B1

BR112014003143B1 - método para alcançar combustão com nox baixo do gás combustível no ar do processo aquecido de peletização e aparelho para alcançar combustão com nox baixo no ar do processo aquecido de peletização

Info

Publication number: BR112014003143B1
Application number: BR112014003143-6A
Authority: BR
Inventors: Bruce E. Cain; Robert F. Robertson; Mark C. Hannum; Todd A. Miller; Joseph P. Brown
Original assignee: Fives North American Combustion, Inc.
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2021-01-19
Also published as: SE1450256A1; AU2012294314B2; BR112014003143A2; WO2013023116A1; AU2012294314A8; CA2844661A1; US20130203003A1; AU2012294314A1; AU2012294314B8

Abstract

INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL COM NOx BAIXO PARA UM FORNO DE ENDURECIMENTO Um método de fornecimento de gás combustível a uma câmara de combustão do forno a partir de um queimador de pré-mistura tendo uma zona de reação com uma saída para a câmara de combustão do forno. Isso inclui as etapas de injetar uma pré-mistura de ar de combustão e gás do combustível primário para a zona de reação, e queimar a pré-mistura para proporcionar produtos de combustão, incluindo ar de combustão contaminado na zona de reação. As etapas adicionais incluem injetar gás combustível graduado na zona de reação separadamente a partir da pré-mistura, descarregar o gás combustível graduado e ar de combustão contaminado a partir da zona de reação, através da saída da câmara de combustão do forno, e queimar o gás combustível graduado e ar de combustão contaminado na câmara de combustão do forno. Isso permite que a combustão de NOx baixo na câmara de combustão do forno seja alcançada como um resultado da interação do gás combustível graduado com o ar de combustão contaminado na zona de reação.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] Essa tecnologia refere-se a um sistema de aquecimento no qual a combustão produz óxidos de nitrogênio (NOX) e, especificamente, refere-se a um método e um aparelho para suprimir a produção de NOX em um forno de endurecimento.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Certos processos industriais, tais como o aquecimento de uma carga em um forno, dependem do calor produzido pela combustão de combustível e oxidante. O combustível é normalmente gás natural. O oxidante é normalmente ar, ar contaminado, oxigênio ou ar enriquecido com oxigênio. A combustão do combustível e oxidante induz o NOX resultar a partir da combinação de oxigênio e nitrogênio.

[003] Uma fornalha de endurecimento é um tipo particular de forno que é conhecido por produzir altos níveis de NOX. Grandes quantidades de material peletizado, tais como péletes de minério de ferro, são avançadas através de um processo de endurecimento, no qual elas são secas, aquecidas a uma temperatura elevada e, então, resfriada. A temperatura elevada induz uma reação de oxidação que endurece o material. Quando resfriado, os péletes endurecidos são mais capazes de suportar a manipulação posterior no armazenamento e no transporte.

[004] O forno de endurecimento tem estações sequenciais para as etapas de secagem, aquecimento e resfriamento. O material peletizado é transportado para dentro do forno, através das estações de sequenciais, e para fora do forno. Canais de ventilação conhecidos como tubos descedentes fornecem correntes descedentes de ar pré-aquecido para as estações de aquecimento. Queimadores nas correntes descendentes fornecem calor para a reação que endurece o material peletizado.

[005] Um exemplo de uma instalação de peletização 10 com um forno de endurecimento 20 é mostrado esquematicamente na Fig. 1. A grade móvel 24 transmite cargas de material peletizado 26 na fornalha 20, através de várias estações de processamento dentro da fornalha 20 e, então, para fora da fornalha 20. As estações de processamento incluem as estações de secagem, aquecimento e resfriamento. Nesse exemplo particular, as estações de secagem incluem uma estação de secagem da corrente ascendente 30 e uma estação de secagem da corrente descendente 32. As estações de aquecimento incluem estações de pré-aquecimento 34 e estações de ignição 36. A primeira e a segunda estações de resfriamento 38 e 40 estão localizadas entre as estações de ignição 36 e a saída do forno 42. Queimadores 44 estão dispostos nas estações de pré-aquecimento e de ignição 34 e 36.

[006] Um sistema de ventoinha 50 conduz ar para circular através da fornalha 20 ao longo das vias de fluxo indicadas pelas setas mostradas na FIG. 1. Como o material peletizado 26 avança das estações de ignição 36 em direção à saída 42, ele é resfriado pelo ar de entrada na primeira e na segunda estações de resfriamento 38 e 40. Isso induz o ar de entrada a tornar-se aquecido antes dele atingir os queimadores 44. O ar pré-aquecido na segunda estação de resfriamento 40 é direcionado através de um sistema de dutos 52 para a estação de secagem da corrente ascendente 30 para iniciar a secagem do material 26 que entra no forno 20. O ar pré-aquecido na primeira estação de resfriamento 38, a qual está mais quente, é direcionado para as estações de ignição e de pré-aquecimento 36 e 34 através de um tubo conector 54 e tubos descendentes 56 que descem a partir do tubo conector 52. Parte desse ar pré-aquecido, juntamente com os produtos de combustão a partir das estações de ignição 36, é circulado através da estação de secagem da corrente descendente 32 antes da passar por uma estação de limpeza de gás 58 e para diante para um tubo de escapamento 60.

[007] Como mostrado, por exemplo, na Fig. 2, cada tubo descendente 54 define uma passagem vertical 61 para direcionar uma corrente descendente 63 do tubo conector 52 para uma estação de aquecimento adjacente 36. Cada queimador 44 é arranjado para projetar uma chama 65 em um tubo descendente 54. Especificamente, cada queimador 44 está montado em uma parede do tubo descendente 66 em uma posição para projetar a chama 65 em uma direção estendendo através da passagem vertical 61 na direção da estação de aquecimento 36 para fornecer calor para a reação que endurece o material peletizado 26.

[008] O queimador 44 da Fig. 2 é um queimador de inalação, o qual injeta o combustível e o ar primário em temperatura ambiente. Parte do ar pré-aquecido a partir da corrente descendente 63 é inalado pelo combustível e o ar primário através de um inalador 68. O combustível, o ar primário e ar inalado formam uma chama do tipo difusão rica em combustível que propaga dentro na corrente descendente 63, onde o grande excesso de ar na corrente descendente 63 resulta em uma razão total que é altamente pobre em combustível e, assim, elevada em teor de oxigênio. Essa propagação da chama do tipo de difusão rica em combustível em excesso altamente pré-aquecido de ar de combustão, produz elevados níveis de interação NOX uma vez que o combustível não misturado ou insuficientemente misturado interage com a corrente descendente de ar de alta temperatura em uma atmosfera pobre de combustível com um grande excesso de oxigênio.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Um método e um aparelho alcançam combustão de baixo NOX do gás combustível na câmara de combustão de um forno. Nas modalidades preferidas, a câmara de combustão do forno é uma passagem do tubo descendente em um forno de endurecimento.

[010] O método fornece gás combustível para a câmara de combustão do forno a partir de um queimador de pré-mistura tendo uma zona de reação com uma saída para a câmara de combustão do forno. Isso inclui as etapas de injetar uma pré-mistura de gás de combustível primário e ar de combustão na zona de reação, de preferência, a injeção de gás de combustível radial na zona de reação em uma direção radialmente para fora a partir de um eixo, e queimar esses reagentes para proporcionar os produtos de combustão incluindo ar de combustão contaminado na zona de reação. As etapas adicionais incluem injetar separadamente gás combustível graduado no ar de combustão contaminado na zona de reação, descarregar o gás combustível graduado e ar de combustão contaminado a partir da zona de reação através da saída da câmara de combustão do forno, e queimar o gás combustível graduado e ar de combustão contaminado na câmara de combustão do forno. Isso permite que a combustão de baixo NOX na câmara de combustão do forno seja alcançada como resultado da interação do gás combustível graduado com o ar de combustão contaminado na zona de reação.

[011] O aparelho inclui uma estrutura de queimador definindo uma zona de reação com uma saída para a câmara de combustão do forno. Um tubo misturador tem uma entrada conectada às fontes de gás combustível primário e ar de combustão, e tem uma saída para a zona de reação. O aparelho inclui ainda, de preferência, um queimador de chama radial conectado às fontes de gás combustível radial e ar de combustão, e disposto de modo a queimar na zona de reação. Um injetor de combustível graduado está conectado a uma fonte de gás combustível graduado e está disposto para injetar o gás combustível graduado na zona de reação separadamente a partir dos outros reagentes injetados. O gás combustível graduado pode assim interagir com o ar de combustão contaminado na zona de reação para produzir combustão de baixo NOX na câmara de combustão do forno.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[012] Fig. 1 é uma vista esquemática de uma instalação de peletização, incluindo um forno de endurecimento conhecido no estado da técnica.

[013] Fig. 2 é uma vista parcial ampliada das partes do forno de endurecimento do estado da técnica da Fig. 1.

[014] As Figs. 3 e 4 são vistas esquemáticas similares à Fig. 2, mas mostram modalidades de um forno de endurecimento que não são conhecidos no estado da técnica.

[015] As Figs. 5-8 são similares às Figs. 3 e 4, mostrando modalidades alternativas de um forno de endurecimento.

[016] As Figs. 9-14 mostram outras modalidades alternativas de um forno de endurecimento com os elementos da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[017] Como mostrado parcialmente na Fig. 3, um forno de endurecimento 100 está equipado com queimadores 102, um dos quais é mostrado no desenho. O forno 100 também tem um sistema de fornecimento de reagente e de controle 104 para operar os queimadores 102. O forno 100 é, assim, configurado de acordo com a invenção descrita e reivindicada no Pedido co-pendente de Patente US 12/555,515, depositado em 09/02/2009, o qual é geralmente da propriedade do cessionário do presente pedido. O forno 100 pode ser de outro modo o mesmo que o forno 20 descrito acima, com tubos descendentes 110 definindo passagens verticais 111 para direcionar correntes descendentes 113 a partir de um tubo conector para estações de aquecimento adjacentes 114. Conforme estabelecido no pedido co- pendente, cada queimador 102 está montado em uma parede de tubo descendente correspondente 116 em uma posição para projetar uma chama de pré-mistura 119 na corrente descendente 113 na direção da estação de aquecimento 114. Isso proporciona calor para uma reação que endurece o material peletizado 124 em uma grade móvel 126 na estação de aquecimento 114.

[018] Na modalidade ilustrada, a chama 119 é projetada através do tubo descendente 110 em direção a uma seção de extremidade inferior horizontal 125 da passagem vertical 111 que termina adjacente à estação de aquecimento 114. Embora o tubo descendente ilustrado 110 tenha uma passagem predominantemente vertical 111, qualquer arranjo adequado ou combinação adequada de passagens orientadas de forma diferente para transmitir uma corrente de ar de recirculação pré-aquecida para uma estação de aquecimento de endurecimento pode ser utilizado.

[019] Os queimadores 102 são, de preferência, configurados como queimadores de pré-mistura com a estrutura mostrada no desenho. Essa estrutura de queimador tem uma porção traseira 140 definindo uma câmara de pressão oxidante 141 e uma câmara de pressão de combustível 143. A câmara de pressão oxidante 141 recebe uma corrente de ar atmosférico sem aquecimento a partir de um sistema de ventoinha 144. A câmara de pressão de combustível 143 recebe uma corrente de combustível a partir do abastecimento das instalações de gás natural 146.

[020] Tubos misturadores 148 estão localizados dentro de uma câmara de pressão oxidante 141. Os tubos misturadores 148 estão, de preferência, dispostos em um arranjo circular centrado em um eixo longitudinal 149. Cada tubo misturador 148 tem uma extremidade interna aberta que recebe uma corrente de ar de combustão diretamente de dentro da câmara de pressão oxidante 141. Cada tubo misturador 148 também recebe correntes de combustível a partir de canais de combustível 150 que se estendem desde a câmara de pressão combustível 143 no tubo misturador 148. Essas correntes de combustível e ar de combustão fluem através dos tubos do misturador 148 para formar uma mistura de combustível conhecida como pré-mistura.

[021] Uma porção externa 160 do queimador 102 define uma zona de reação 161 com um orifício de saída 163. A pré- mistura é inflamada na zona de reação 161 ao sair a partir das extremidades externas abertas dos tubos do misturador 148. Ignição é inicialmente alcançada pelo uso de um dispositivo de ignição antes da zona de reação 161 alcançar a temperatura de autoignição da pré-mistura. Combustão prossegue à medida que a pré-mistura é injetada a partir do orifício de saída 163 no tubo descendente 110 para misturar com a corrente descendente 113. O combustível na pré- mistura é, então, queimado em uma mistura combustível com ar pré-misturado e ar da corrente descendente. Ao misturar o combustível com o ar de combustão para formar a pré- mistura, o queimador 102 evita a produção de interação NOX que ocorreria se o combustível fosse não misturado ou parcialmente misturado com o ar de combustão antes de misturar o ar da corrente descendente.

[022] Ainda, como mostrado na Fig. 3, o sistema de fornecimento do reagente e controle 104 inclui um duto 180 através do qual o sistema de ventoinha 144 recebe ar não aquecido a partir da atmosfera ambiente. Outro duto 182 estende-se a partir do sistema de ventoinha 144 para a câmara de pressão do oxidante 141 no queimador 102. A linha de combustível 184 comunica a fonte de combustível 146 com a câmara de pressão de combustível 143 no queimador 102. Outras partes do sistema 104 inclui um controlador 186, as válvulas de controle do oxidante 188, e as válvulas de controle de combustível 190.

[023] O controlador 186 tem hardware e/ou software que é configurado para a operação do queimador 102, e pode compreender qualquer um controlador lógico programável adequado ou outro dispositivo de controle, ou uma combinação de dispositivos de controle, que é programado, ou de outra forma, configurado para executar como descrito e reivindicado. Como o controlador 186 realiza essas instruções, ele opera as válvulas 188 e 190 para iniciar, regular e terminar fluxos de correntes reagentes que induzem o queimador 102 a disparar a chama pré-misturada 119 no tubo descendente 110. O controlador 186 está, de preferência, configurado para operar as válvulas 188 e 190 de modo que o combustível e o ar de combustão são fornecidos para o queimador 102 em quantidades que formam a pré-mistura tendo uma razão pobre de combustível para oxidante. A composição de combustível pobre da pré-mistura auxilia evitar a produção de interação de NOX na corrente descendente 113.

[024] Embora a pré-mistura produza menor interação NOX na combustão da mistura de combustível e ar na corrente descendente de alta temperatura 113, essa tem uma desvantagem de eficiência uma vez que requer mais combustível para aquecer o ar atmosférico frio na pré- mistura. A desvantagem eficácia é maior, se a pré-mistura tem excesso de ar para estabelecer uma razão pobre de combustível para oxidante. No entanto, a desvantagem de eficiência pode ser reduzida ou evitada por usar a modalidade da invenção que inclui o ar pré-aquecido na pré- mistura. Por exemplo, na modalidade mostrada na Fig. 4, o sistema de fornecimento do reagente e controle 104 inclui um duto 200 para fornecer o queimador 102 com ar pré- aquecido da corrente descendente a partir do tubo de descida 110. Como na modalidade da Fig. 3, o controlador 186 na modalidade da Fig. 4 é, de preferência, configurado para operar as válvulas 188 e 190 de tal modo que o gás combustível, o ar não aquecido, e o ar pré-aquecido são liberados para o queimador 102 em quantidades que formam a pré-mistura tendo uma razão pobre de combustível para oxidante.

[025] A modalidade da Fig. 5 também reduz a desvantagem de eficiência causada pela pré-mistura na modalidade da Fig. 3. Nessa modalidade, o sistema de fornecimento de reagente e controle 104 inclui uma linha de desvio de combustível 206 com uma válvula de controle 208. Como mostrado esquematicamente, a linha do desvio 206 termina em um orifício de injeção 210 que se encontra espaçado axialmente a jusante do queimador 102. O sistema de fornecimento do reagente e do controle 104 é, assim, configurado para fornecer gás combustível primário e ar de combustão para o queimador de pré-mistura 102, e para injetar separadamente segundo gás de combustível graduado no tubo descendente 110 sem ar de combustão. O controlador 186 é, de preferência, configurado para operar as válvulas 188, 190 e 208 de tal modo que o combustível primário e o ar de combustão são fornecidos para o queimador 102 em quantidades que formam a pré-mistura tendo uma razão pobre de combustível para oxidante, enquanto proporcionando simultaneamente a linha de desvio 206 com o segundo combustível graduado em uma quantidade que é estequiométrica com a pré-mistura fornecida ao queimador 102. Uma vez que a pré-mistura, nessa modalidade, inclui menos do que a taxa alvo total de combustível, ela pode incluir uma quantidade correspondentemente menor de ar não aquecido para estabelecer uma razão pobre de combustível para oxidante. A menor quantidade de ar sem aquecimento na pré-mistura provoca uma desvantagem inferior da eficiência.

[026] Uma característica adicional da supressão de NOX da invenção é exibida na Fig. 5, onde o tubo descendente 110 é mostrado ter uma porção da parede rebaixada 220, Essa porção 220 do tubo descendente 110 define uma zona de combustão 221, que é rebaixada a partir da passagem vertical 111. O queimador 102 está montado na porção da parede rebaixada 220 do tubo descendente 110 de modo a injetar diretamente a pré-mistura na zona de combustão 221, em vez de diretamente na passagem vertical 111.

[027] Na modalidade da Fig. 5, a chama da pré-mistura 119 projeta completamente através da zona de combustão 221 e na passagem vertical 111. O controlador 186 poderia fornecer o queimador 102 com combustível e ar de combustão em taxas mais baixas para causar a chama da pré-mistura 119 para projetar apenas parcialmente através da zona de combustão 221 e, assim, produzir menos interação NOX na passagem vertical 111. Como mostrado na Fig. 6, uma zona de combustão mais profunda 225 poderia ter o mesmo efeito, sem reduzir as taxas de fluxo do reagente.

[028] Supressão adicional de interação de NOX pode ser alcançada com orifícios de injeção de combustível graduado de forma diferente juntamente com uma zona de combustão rebaixada. Como mostrado, por exemplo, na Fig. 7, esses podem incluir um orifício 230 para injetar combustível graduado diretamente na zona de combustão rebaixada 225, um orifício 232 para injetar combustível graduado diretamente na passagem vertical 111 a montante da zona de combustão rebaixada 225, e um orifício 234 para injetar combustível graduado na passagem vertical 111 em um local a jusante da zona de combustão rebaixada 225.

[029] A modalidade da Fig. 8 tem outro arranjo alternativo de orifícios do injetor de combustível graduado 236. Esses orifícios 236 estão dispostos na parede de um tubo descendente 116 em posições espaçadas radialmente a partir do orifício do queimador 163 e, eles estão, de preferência, dispostos em um arranjo circular centrado no eixo do queimador 149. O sistema de fornecimento do reagente e de controle 104 inclui uma válvula de controle de combustível graduado 238 para desviar combustível para um tubo coletor 240 que distribui o combustível desviado para cada orifício 236 igualmente. Os orifícios 236 juntamente injetam esse combustível no tubo descendente 110 em uma matriz circular de segundas correntes do estágio. Os orifícios 236 podem ser configurados para injetar as segundas correntes de combustível do estágio em direções que são paralelas e/ou inclinadas na direção ao eixo 149.

[030] A temperatura do ar pré-aquecido na corrente descendente 113 é, normalmente, esperada estar na faixa de 1500°F a 2000°F (815,56°C a 1093,33°C), a qual está acima da temperatura de autoignição do gás combustível. No caso do gás natural, a temperatura de autoignição é tipicamente na faixa de 1000°F a 1200°F (537,78°C a 648,89°C). Portanto, nas modalidades das Figs. 4-7, as quais utilizam ar pré-aquecido da corrente descendente, juntamente com o ar ambiente para formar a pré-mistura com o gás combustível, o ar de corrente descendente é misturado com o ar ambiente antes de ser misturado com o gás combustível. Isso resfria o ar da corrente descendente para uma temperatura abaixo da temperatura de autoignição para evitar que o combustível de ignição no interior dos tubos misturadores 146 antes da pré-mistura entre no tubo descendente 110.

[031] O processo de peletização, normalmente, requer temperaturas próximas à 2400°F-2500°F (1315,56°C- 1371,11°C). Essas temperaturas de processamento nas estações de aquecimento 114 poderiam ser fornecidas por combustão com temperaturas de chama de pico de 2500°F- 2800°F (1371,11°C-1537,78°F) em tubos descedentes adjacentes 110. Essas temperaturas de chama no pico poderiam ser mantidas pela combustão de gás natural e ar pré-aquecido de 1500°F-2000°F (815,56°C-1093,33°C) e 200%- 600% de excesso de ar. Ar pré-aquecido dessa temperatura e quantidade disponível nas correntes descendentes 113. No entanto, uma vez que a temperatura do ar da corrente descendente de 1500°F-2000°F (815,56°C-1093,33°C) é maior do que a temperatura de autoignição, a corrente descendente de ar pode não formar uma pré-mistura sem ignição nos queimadores 102, se não for primeiramente misturada com o ar mais frio como se notado acima em relação às Figs. 4-7.

[032] Na modalidade mostrada na Fig. 9, o forno 100 inclui um queimador alternativo de pré-mistura 300. Esse queimador 300 tem muitas partes que são as mesmas ou substancialmente as mesmas partes correspondentes do queimador 102 descrito acima, e essas partes são indicadas pelos mesmos números de referência nos desenhos. O queimador 300 tem, assim, uma parte traseira 140 definindo uma câmara de pressão oxidante 141 e uma câmara de pressão de combustível 143. A câmara de pressão oxidante 141 recebe ar de combustão a partir do duto oxidante 182. A câmara de pressão combustível 143 recebe gás combustível a partir da linha de combustível 184.

[033] Como o queimador 102, o queimador 300 tem tubos do misturador 148 que estão, de preferência, dispostos em um arranjo circular centrado em um eixo longitudinal 149. Os tubos misturadores 148 recebem correntes de ar de combustão a partir da câmara de pressão oxidante 141 e correntes de combustível a partir de canais de combustível 150 alcançando a partir da câmara de pressão de combustível 143. Uma porção externa 160 do queimador 300 define uma zona de reação 161 com um orifício de saída 163 para a passagem do tubo descendente 111. A pré-mistura é injetada a partir das extremidades externas abertas dos tubos do misturador 148 na zona de reação 161.

[034] O queimador 300 da Fig. 9 também inclui uma linha secundária de combustível 310 com um orifício de saída 311 centrado no eixo 149. O orifício de saída 311 é, de preferência, proporcionado como um bocal de alta pressão, o qual pode ter qualquer configuração adequada conhecida na técnica. O controlador 186 está configurado para operar uma válvula de fornecimento de combustível 314 para a linha secundária de combustível 310, como descrito acima.

[035] O queimador 300 inclui ainda um queimador de chama radial 320 que está localizado de forma concêntrica entre o orifício secundário de saída do combustível 311 e a matriz em torno de tubos do misturador 148. O queimador de chama radial 320 pode funcionar como uma estrutura de âncora de combustão, como descrita na Patente US No. 6,672,862, a qual é incorporada aqui por referência.

[036] O queimador de chama radial 320 tem uma linha de combustível radial 322 atingindo concentricamente sobre a linha secundária do combustível 310. Uma válvula 324 fornece a linha radial do combustível 322 com o gás combustível sob a influência do controlador 186. Como mostrado em detalhes ampliados na Fig. 9A, a porção da extremidade externa da linha de combustível radial 322 tem orifícios de combustível 325 que estão diante radialmente da parte externa. A passagem do ar de combustão radial 327 alcança concentricamente na linha radial do combustível 322. Uma placa de rotação 328 está localizada na extremidade externa da passagem 327, e uma superfície refratário circundante 330 é afunilada externamente a partir da passagem 327.

[037] Na operação da modalidade da Fig. 9, uma pré- mistura do combustível primário e de ar de combustão primário é injetada a partir dos tubos do misturador 148 na zona de reação 161. O combustível radial é injetado a partir dos orifícios 325 na zona de reação 161 em direções radialmente externas. Ar de combustão radial é injetado a partir da passagem 327 na zona de reação 161 através da placa de rotação 328, o que induz um turbilhão que carrega o combustível radial e o ar de combustão radialmente externo ao longo da superfície do refratário afunilado 330 em direção às correntes injetadas de pré-mistura. A combustão desses reagentes na zona de reação 161, em seguida, fornece os produtos de combustão incluindo ar de combustão contaminado.

[038] Combustível secundário é injetado a partir do orifício de saída do combustível secundário 311 em um jato alcançando axialmente ao longo da zona de reação 161. O combustível secundário mistura-se com o ar de combustão contaminado na zona de reação 161. A combustão, então, prossegue à medida que os teores da zona de reação 161 movem-se na direção e através do orifício de saída 163 para a passagem de tubo descendente 111. Porque o combustível secundário se mistura com o ar de combustão contaminado na zona de reação 161 antes de interagir com a corrente descendente 113, combustão adicional de combustível secundário na corrente descendente 113 produz menos NOX do que seria se o combustível secundário fosse injetado diretamente na corrente descendente 113, como descrito acima com referência às modalidades das Figs. 1-8.

[039] O queimador de chama radial 320 tipicamente será responsável por 1% a 3 % do total de combustível fornecido ao queimador 300, exceto quando o queimador 300 sofre ignição na dobradiça elevada (tipicamente 25% ou menos da taxa máxima de ignição), caso em que a proporção do de combustível total fornecido pelo queimador da chama radial 320 pode ser maior. No melhor modo de operação, a proporção do total de combustível fornecido na pré-mistura, ou combustível primário, será em uma razão de combustível pobre com o ar de combustão, e resultará em uma temperatura de chama adiabática calculada pré-mistura na faixa de 2600°F a 3200°F (1426,67°C a 1760°C). O equilíbrio do combustível, o que será tipicamente suficiente, quando adicionado ao combustível primário e radial como combustível secundário, para fornecer uma razão estequiométrica entre o combustível total e o ar fornecido para o queimador 10.

[040] O controlador 186 pode ser ainda configurado para operar o queimador 300 da Fig. 9 de um modo em que algum do combustível secundário é fornecido no queimador de chama radial 320 em vez da linha de combustível secundário 310. A zona de reação 161, então, seria fornecido com uma quantidade total de combustível em quatro porções, incluindo uma porção de combustível primário nos tubos do misturador 148, uma porção de combustível suficiente para realizar a função de ancoragem no queimador de chama radial 320, uma porção do combustível secundário que também é injetado radialmente a partir do queimador de chama radial 320, e o equilíbrio remanescente da quantidade total como uma porção do combustível secundário que é injetado axialmente a partir do orifício 311.

[041] Na modalidade da Fig. 10, o forno de endurecimento 100 está equipado com um queimador de pré- mistura 400 que difere do queimador de pré-mistura 300 da Fig. 9, tendo uma zona de reação 401 que é externa afunilada radialmente, enquanto a zona de reação 161 é afunilada radialmente interna.

[042] Na modalidade da Fig. 11, o forno de endurecimento 100 está equipado com um queimador de pré- mistura 600 que difere a partir do queimador de pré-mistura 300 da Fig. 9 por ter vários injetores de combustível secundário 602, cada um dos quais está localizado concentricamente dentro de um respectivo tubo misturador 148. Cada tubo misturador 148 é fornecido com combustível primário pelos canais de combustível da pré-mistura 150 alcançando a partir da câmara de pressão combustível da pré-mistura 143. Na modalidade ilustrada, os injetores de combustível secundário 602 são fornecidos com combustível a partir de uma câmara de pressão de combustível separado 604. A válvula de combustível secundário 606 é operada pelo controlador 186 para fornecer a câmara de pressão separada 604 com combustível secundário separadamente a partir do combustível primário fornecido à câmara de pressão do combustível da pré-mistura 143. Alternativamente, os injetores de combustível secundário 602 podem ser fornecidos com o combustível a partir da câmara de pressão combustível da pré-mistura 143.

[043] O queimador de pré-mistura 700 da Figura 12 difere do queimador da pré-mistura 600 da Figura 11 por ter uma zona de reação 705 que é afunilada externamente radialmente, enquanto a zona de reação 161 no queimador 600 é afunilada radialmente internamente.

[044] O aparelho queimador 800 da Figura 13 inclui uma zona de reação de dois estágios convergente/divergente 821 e um ou mais injetores de combustível secundário 830. Uma porção do combustível e todo o ar de combustão do queimador (com exceção de uma pequena fração do ar do queimador fornecido ao queimador radial) são pré-misturados em tubos misturadores 148. A porção do combustível fornecido como pré-mistura (também chamado combustível primário) estará em uma razão combustível pobre com o ar de combustão do queimador e, na sua maioria em combustão em uma zona de combustão primária na seção convergente 831 da zona de reação 821. Os produtos de combustão a partir da pré- mistura pobre sairá da seção convergente 831, e entrará na segunda, o estágio divergente 833 da zona de reação 830. A seção divergente 833 da zona de reação 821 pode ser configurada para minimizar o ingresso de atmosfera do forno com elevado teor de oxigênio a partir da passagem do tubo descendente 111, através da incorporação de um cone divergente de 20° a 30° para o ângulo incluído. Combustível secundário pode ser introduzido através dos injetores de combustível secundário 830 perto da saída da seção divergente 833 da zona de reação 821. Essa configuração ajudará a minimizar NOX através da introdução do combustível secundário nos produtos de baixo oxigênio da combustão a partir do combustível da pré-mistura, ajudando a evitar altas temperaturas refratárias, as quais podem ser causadas por combustão de quantidades estequiométricas próximas do total do combustível com o ar de combustão pré- aquecido, se o combustível secundário for introduzido na seção convergente 831 da zona de reação 821.

[045] Essa descrição escrita apresenta o melhor modo de execução da invenção, e descreve a presente invenção de modo a permitir que um perito na técnica faça e use a invenção, através da apresentação de exemplos de elementos recitados nas reivindicações. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e podem incluir outros exemplos que ocorrerão aos peritos na técnica. Tais outros exemplos, os quais podem estar disponíveis ou antes ou depois da data de depósito do pedido, são destinados estarem dentro do escopo das reivindicações, ou se tiverem elementos que não diferem a partir da linguagem literal das reivindicações, ou se eles têm elementos equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.

Claims

1. Método para alcançar combustão com NOx baixo do gás combustível no ar do processo aquecido de peletização compreendendo: transportar o material peletizado (26) através de um forno de endurecimento (20, 100) tendo uma estação de aquecimento (36) e uma passagem (61) que conduz o ar do processo aquecido para a estação de aquecimento; dirigir o ar de processo aquecido através da passagem em direção a estação de aquecimento (36); e operar um queimador de pré-mistura (102) tendo uma zona de reação (161) com uma saída para a passagem (61) incluindo as etapas de: injetar uma pré-mistura de gás combustível primário e ar de combustão na zona de reação (161); queimar a pré-mistura para proporcionar produtos de combustão, incluindo de ar de combustão contaminado na zona de reação (161); injetar gás combustível graduado na zona de reação (161) separadamente a partir da pré-mistura; descarregar o gás combustível graduado e o ar de combustão contaminado a partir da zona de reação (161) através da saída para a passagem; e queimar o gás combustível graduado e ar de combustão contaminado no ar do processo aquecido na passagem (61), através do qual a combustão com NOx baixo no ar do processo aquecido pode ser alcançada como um resultado da interação do gás do combustível graduado com o ar de combustão contaminado na zona de reação (161), CARACTERIZADO pelo fato de que a zona de reação (161) tem um eixo central (149), e o gás combustível graduado é injetado na zona de reação (161) como um jato centrado no eixo (149), ou em que a pré-mistura é injetada na zona de reação (161) a partir de um tubo misturador (148), e o gás combustível graduado é injetado na zona de reação (161) a partir de um injetor de combustível graduado (602) localizado dentro do tubo misturador (148).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a pré-mistura é injetada na zona de reação (161) em uma condição de combustível pobre, através do qual o excesso de ar de combustão na pré-mistura está disponível para contaminação na zona de reação (161).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o gás combustível graduado é injetado na zona de reação (161) a partir de um bocal de alta pressão.

4. Aparelho para alcançar combustão com NOx baixo no ar do processo aquecido de peletização compreendendo: uma estrutura de forno de endurecimento (20, 100) definindo uma estação de aquecimento, um transportador que transporta o material peletizado para a estação de aquecimento, e uma passagem (61) que direciona o ar aquecido do processo de peletização para a estação de aquecimento (36); fontes de gás combustível primário, ar de combustão, e gás combustível graduado; e um queimador de pré-mistura (102) tendo: uma estrutura definindo uma zona de reação (161) com uma saída para a passagem (61); um tubo misturador (148) tendo uma entrada que recebe o gás combustível primário e o ar de combustão a partir das respectivas fontes, e tendo uma saída que descarrega uma pré-mistura do gás combustível primário e do ar de combustão para a zona de reação (161); e um injetor combustível graduado (602, 830) que recebe gás combustível graduado a partir da respectiva fonte, e que injeta o gás combustível graduado na zona de reação (161) separadamente a partir pré-mistura, através da qual o gás combustível graduado pode interagir com o ar de combustão contaminado na zona de reação (161) para produzir combustão com NOX baixo no ar aquecido do processo na passagem, CARACTERIZADO pelo fato de que a zona de reação (161) tem um eixo central (149), e o injetor de combustível graduado (602) é centrado no eixo, ou o injetor de combustível graduado (602) é localizado dentro do tubo misturador (148).

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o injetor de combustível graduado (602) tem um bocal de alta pressão.