BR112016010901B1 - Queimador industrial autorregenerativo e forno industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração - Google Patents

Abstract

QUEIMADOR INDUSTRIAL AUTORREGENERATIVO E FORNO INDUSTRIAL PARA REALIZAR PROCESSOS DE COMBUSTÃO DE AUTORREGENERAÇÃO. Um queimador industrial autorregenerativo (10) contendo uma cabeça (11), na qual pelo menos um primeiro bico de injeção de combustível (12), que é associável na entrada com um grupo de suprimento de combustível (13), e pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), que podem ser alternativa e seletivamente atravessados pelo ar de combustão e pelos gases de combustão de exaustão, são associados, um corpo tubular (16) aberto nas extremidades opostas, que é disposto na parte frontal da cabeça (11) e coaxial ao pelo menos um primeiro bico (12), com uma extremidade próxima à face da cabeça (11) em que o primeiro bico (12) e o pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) saem ou projetam- se, e a extremidade oposta distante de uma tal face, em que, quando o queimador (10) é aplicado a uma câmara de combustão (101), em particular, a câmara de um forno industrial (100), o corpo tubular (16) estende-se para a câmara de combustão (101), o queimador sendo caracterizado pelo fato de que cada um dos segundos bicos (14, 15) compreende pelo menos uma primeira parte tubular (140, 150), que se situa radialmente fora do corpo tubular (16) e em cuja extremidade pelo menos um primeiro orifício (14a, 15a) é definido,(...).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um queimador industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração também no modo de chama, mais especificamente, a presente invenção refere-se a um queimador industrial do tipo chamado “autorregenerativo”.

[0002] A presente invenção, além disso, refere-se a um forno industrial, em particular, um forno industrial para o tratamento térmico de produtos, em particular, produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais metálicos e inorgânicos, compreendem um tal queimador industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração também no modo de chama.

[0003] A presente invenção também se refere a um método para controlar um queimador industrial autorregenerativo para realizar processos de combustão de autorregeneração também no modo de chama.

[0004] A presente invenção pode ser aplicada a todos os processos de aquecimento industrial ou, mais geralmente, a processos de tratamento térmico realizados em fornos e para os quais uma alta eficiência de pré-aquecimento do ar de combustão é requerido, e durante cujo curso a temperatura do processo é relativamente baixa (p. ex., da ordem de 450 C) ou, em qualquer caso, menor do que a temperatura de autoignição de combustível, pelo menos durante a maior parte do tempo de processamento.

[0005] São conhecidos queimadores industriais que são estruturados para recuperar o calor dos vapores de combustão, a fim de pré-aquecer o ar de combustão antes de ele ser misturado com o combustível.

[0006] Tais queimadores são capazes de pré-aquecer o ar de combustão até temperaturas que podem ser abaixo da temperatura interna do forno por cerca de 100 C.

[0007] Há, em particular, os chamados “queimadores regenerativos”, em que cada um é equipado com um elemento de armazenagem de calor alternativamente atravessado pelos vapores de combustão e pelo ar de combustão.

[0008] Estes “queimadores regenerativos” sempre funcionam em pares, alternando a etapa de combustão com a etapa de sucção dos vapores de combustão. Para cada par, um queimador atua como um queimador real, usando o ar de combustão que é pré-aquecido enquanto passando através do respectivo elemento de armazenagem de calor (em que o calor foi armazenado durante o ciclo operacional prévio), e o outro queimador atua como aspirador ou exaustor, armazenando no respectivo elemento de armazenagem de calor o calor dos vapores de combustão que são sugados através dele. Em predeterminados intervalos de tempo a operação dos dois queimadores de cada par é invertida.

[0009] Os queimadores dos tipos chamados “autorregenerativos” também são conhecidos, que são, cada um, equipados com um par de elementos de armazenagem de calor, e cada um opera simultaneamente como um queimador real e como um aspirador ou exaustor para os vapores de combustão, alternando o fluxo do ar de combustão entrando e dos vapores de combustão saindo entre os próprios dois elementos de armazenagem de calor.

[0010] Um dos principais problemas que surgem na operação dos queimadores “autorregenerativo” é a sucção das substâncias não queimadas (em particular, monóxido de carbono CO) vindas da chama.

[0011] Este problema é geralmente resolvido fazendo-se o queimador operar no modo de combustão diluída ou sem chama, que permite que a chama seja separada e movida para longe do próprio queimador e, portanto, permite minimizar a possibilidade de sugar substâncias não queimadas próximas a ele.

[0012] Este modo operacional é esquematicamente mostrado na Figura 1 anexada, que representa esquematicamente o difusor 1 de um queimador “autorregenerativo” do tipo conhecido aplicado a uma câmara de combustão C. O difusor 1 é provido com um primeiro bico de injeção de combustível central 2 e com um par de segundos bicos 3 e 4 dispostos em uma circunferência centralizada no primeiro bico 2 e, alternativa e seletivamente, passada através do ar de combustão e pelos vapores de combustão (na Figura 1, o segundo bico 3 é mostrado no modo operacional de injeção de ar de combustão, e o segundo bico 4 é mostrado no modo operacional como aspirador dos vapores de combustão, como esquematicamente representado pelas setas). Para fins de simplicidade da representação, os elementos de armazenagem de calor associados com os dois segundos bicos 3 e 4, não são representados, nem o dispositivo de comutação dos fluxos entre eles deve, entretanto, ser considerado estar presente.

[0013] O ar de combustão e o gás de combustão são injetados dentro da câmara de combustão C em alta velocidade (da ordem de 100 m/s), para não gerar uma chama fixada ao difusor 1, em vez de uma combustão diluída em uma área Z1 que é avançada com relação ao difusor 1. Isto permite que a área de combustão Z1 seja separada da área Z2, na qual os vapores de combustão são sugados do interior da câmara de combustão C, assim minimizando a sucção de substâncias não queimadas para o exterior.

[0014] Como sabido, a fim de ser capaz de realizar estavelmente uma combustão sem chama, é necessário que a temperatura dentro da câmara de combustão C seja acima da temperatura de autoignição do combustível por um valor tal como para evitar até possíveis riscos de explosão. Se, por exemplo, o combustível for gás natural, o limiar de temperatura acima do qual é possível realizar estavelmente uma combustão sem chama é de cerca de 800 C.

[0015] Os conhecidos queimadores “de autorregeneração”, portanto, são geralmente equipados com um dispositivo 5 para gerar uma chama piloto F, como esquematicamente mostrado na Figura 2 anexa (diagrama à esquerda). O dispositivo 5 compreende ainda bicos para injetar ar de combustão frio, que é usado para gerar uma chama piloto F fixada ao difusor 1. A chama piloto F serve para trazer a temperatura interna da câmara de combustão C acima de 800 C, ao alcançá-la, o dispositivo 5 é desativado, sendo possível fazer o queimador operar no modo operacional sem chama com o pré-aquecimento do ar de combustão realizado pelos elementos de armazenagem de calor associados com os segundos bicos 3 e 4 (Figura 2, diagrama à direita).

[0016] O queimador “autorregenerativo” é, portanto, capaz de pré-aquecer o ar de combustão com elevada eficiência de pré-aquecimento, logo quando a câmara de combustão C está acima de 800 °C.

[0017] De fato, a fim de gerar a chama piloto F e mantê-la até ser alcançada uma temperatura acima da temperatura de autoignição de combustível dentro da câmara de combustão interna, o ar de combustão frio é usado, de modo que a eficiência de pré-aquecimento do ar de combustão caia para 0 em temperaturas internas da câmara de combustão abaixo de uma tal temperatura (800 C para gás natural).

[0018] Este problema é parcialmente superado através de queimadores “autorregenerativo” que, em uma certa variação de temperatura, em qualquer caso abaixo da temperatura de autoignição do combustível (para gás natural na faixa de temperatura compreendida entre 500 C e 800 C), são capazes de operar no modo intermediário, em que uma fração do ar de combustão, tipicamente média dele, é pré-aquecida, e a fração remanescente é usada fria pelo dispositivo piloto 5 para gerar uma chama piloto F.

[0019] Este modo operacional é esquematicamente representado na Figura 3 com referência à técnica anterior, onde o primeiro diagrama mostra o queimador “autorregenerativo” no modo operacional com chama piloto (a temperatura interna da câmara de combustão C sendo abaixo de 500 C), o segundo diagrama mostra o queimador no modo operacional intermediário descrito acima (a temperatura interna da câmara de combustão C sendo compreendida entre 500 C e 800 C), e o terceiro diagrama mostra o queimador no modo operacional sem chama com pré- aquecimento de todo o ar de combustão.

[0020] Entretanto, neste caso também, o uso de ar frio para realizar a chama piloto penaliza a eficiência total de pré-aquecimento do ar de combustão.

[0021] A Figura anexa 4 contém um gráfico que mostra os valores da eficiência de pré-aquecimento do ar de combustão (isto é, a relação entre a temperatura de pré-aquecimento do ar de combustão e a temperatura dentro da câmara de combustão), típico de um queimador “autorregenerativo” do tipo conhecido, que a temperatura interna da câmara de combustão varia nos diferentes modos operacionais do queimador”autorregenerativo”, como descrito acima, e operando com gás natural.

[0022] Observa-se que acima de 800 °C a eficiência de pré-aquecimento é de aproximadamente 80 %, enquanto abaixo de 800 °C a eficiência cai para 0 ou, alternativamente, para metade da faixa de temperatura entre 500 e 800 °C.

[0023] O uso de ar frio para gerar uma chama piloto limita muito, assim, o uso do queimador”autorregenerativo” que, portanto, somente encontra aplicação nos fornos com temperatura de processo acima da temperatura de autoignição do combustível (igual a cerca de 800 °C para gás natural).

[0024] Há, entretanto, diversos fornos de tratamento térmico industriais em que a temperatura de processo é muito menor do que a temperatura de autoignição do combustível, por exemplo, é compreendida entre 450 °C e 700 °C (em média igual a 600 °C), e, portanto, sempre abaixo do limiar de combustão sem chama. Em outros casos, por outro lado, mesmo se a temperatura de tratamento puder exceder a temperatura de autoignição do combustível, por exemplo, sendo compreendida entre 700 °C e 900 °C, na maior parte do tempo de temperatura, a temperatura de tratamento permanece abaixo de uma tal temperatura (isto é, abaixo de 800 °C para gás natural).

[0025] A fim de ser capaz de estender a operação de um queimador”autorregenerativo” no modo de pré-aquecimento do ar de combustão até temperaturas dentro da câmara de combustão, abaixo da temperatura de autoignição do combustível (isto é, 800 °C para gás natural), é necessário ser capaz de separar a área onde a combustão ocorre da área em que os vapores de combustão são sugados e, ao mesmo tempo, é necessário produzir uma chama estável e fixa que não se extingue devido à baixa temperatura dentro da câmara de combustão e à baixa percentagem de oxigênio presente nos vapores de combustão (geralmente não acima de 3 % em volume).

[0026] Para este fim, soluções foram propostas tais como, por exemplo, as descritas na US 5.628.629, em que o difusor (“ladrilho do queimador) tem uma parte central projetando-se com relação à superfície em que as aberturas para o fluxo de entrada do ar de combustão e para o fluxo de saída dos vapores de combustão são definidas, e através das quais o combustível é injetado. Esta projeção central tem a finalidade de levar a área em que a chama piloto é gerada para longe da área em que os vapores de combustão são sugados para fora, a fim de reduzir a quantidade de substâncias não queimadas que podem ser sugadas juntamente com os vapores de combustão.

[0027] Ainda de acordo com o que é descrito na US 5.628.629, é possível dispor um cilindro de assistência de combustão na parte frontal da parte de projeção central do difusor. Um tal cilindro circunda e abrange tanto o interior do bico de injeção de combustível, que é coaxial à parte de projeção central do difusor, como as aberturas para o fluxo do ar de combustão e dos vapores de combustão, que são dispostas ao longo de uma circunferência que é concêntrica ao bico de injeção de combustível e que se situa dentro do cilindro de assistência de combustão.

[0028] Uma tal configuração, como descrito na US 5.628.629, permite que o queimador “autorregenerativo” opere mesmo em baixas temperaturas.

[0029] Mesmo nesse caso, entretanto, a fim de estabilizar a chama, um dispositivo piloto (do tipo descrito, por exemplo, na US 6.079.976) está, de qualquer forma, presente, e gera uma chama piloto alimentada com ar de combustão frio, com consequências negativas sobre a eficiência de pré-aquecimento realizada pelo queimador.

[0030] Uma outra solução foi proposta pela US 6.033.208, em que os dois elementos de armazenagem de calor do queimador “autorregenerativo” são dispostos em duas câmaras coaxiais aos bicos de injeção de combustível. Esta solução permite usar a maior parte da câmara interna para gerar a chama piloto, assim eliminando a necessidade por um dispositivo piloto dedicado. Mesmo neste caso, entretanto, é necessário produzir uma chama piloto com o uso de ar de combustão frio para trazer a temperatura interna da câmara de combustão acima da temperatura de autoignição (800 °C), acima da qual o queimador opera no modo de “autorregeneração” com pré-aquecimento do ar de combustão.

[0031] Os queimadores “autorregenerativos” do tipo conhecido, portanto, são capazes de eficazmente pré-aquecer o ar de combustão apenas quando a temperatura dentro da câmara de combustão está acima da temperatura de autoignição do combustível e, portanto, apenas no modo de combustão sem chama. Abaixo de uma tal temperatura, eles operam no modo de chama, para cuja geração pelo menos uma fração de ar de combustão frio é sempre usada, o que penaliza a eficiência de pré-aquecimento total.

[0032] Portanto, há uma necessidade por um queimador industrial do tipo “autorregenerativo” que, independentemente da temperatura dentro da câmara de combustão, é capaz de gerar uma chama estável e fixa usando para isto apenas ar de combustão pré-aquecido, em vez de ar de combustão frio.

[0033] Em outras palavras, há uma necessidade por um queimador industrial “autorregenerativo” que seja capaz de operar no modo de chama também, e não apenas no modo sem chama, pré-aquecendo a totalidade do ar de combustão, e que seja capaz de manter o nível de substâncias não queimadas (em particular, CO) sugadas juntamente com os vapores de combustão abaixo dos limites estabelecidos pelos padrões atuais (tipicamente, menores do que 100 ppm).

[0034] A finalidade da presente invenção é, portanto, a de produzir um queimador industrial autorregenerativo e um forno industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração que permitam que o ar de combustão seja pré- aquecido com alta eficiência, mesmo quando a temperatura dentro da câmara de combustão estiver abaixo da temperatura de autoignição do combustível.

[0035] Uma outra finalidade da presente invenção é a de produzir um queimador industrial autorregenerativo e um forno industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração que, seja qual for a temperatura dentro da câmara de combustão, permitam que uma chama estável e fixa seja gerada usando-se apenas ar de combustão pré-aquecido para isso.

[0036] Já outra finalidade da presente invenção é a de produzir um queimador industrial autorregenerativo e um forno industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração que, seja qual for a temperatura dentro da câmara de combustão, permitam que a sucção das substâncias não queimadas juntamente com os vapores de combustão seja evitada ou, em qualquer caso, limitada.

[0037] Já outra finalidade da presente invenção é aquela de prover um método para controlar um queimador industrial autorregenerativo aplicado a um forno industrial, para o tratamento térmico de produtos que permitam a operação de um tal queimador para realizar processos de combustão de autorregeneração que sejam controlados, seja qual for a temperatura interna na câmara de combustão.

[0038] Outra finalidade da presente invenção é a de produzir um queimador industrial autorregenerativo e um forno industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração que sejam particularmente simples e funcionais, com baixos custos.

[0039] Estes objetivos, de acordo com a presente invenção, são realizados produzindo-se um queimador industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração como resumido na reivindicação 1.

[0040] Estes objetivos, de acordo com a presente invenção, são realizados produzindo-se um forno industrial para o tratamento térmico de produtos, em particular, produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais metálicos e inorgânicos, para realizar processos de combustão de autorregeneração, como resumido na reivindicação 14.

[0041] Estes objetivos também são alcançados através de um método para controlar um queimador industrial autorregenerativo para realizar processos de combustão de autorregeneração em fornos industriais para o tratamento térmico de produtos, em particular, produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais metálicos e inorgânicos, como resumido na reivindicação 15.

[0042] Outras características são providas nas reivindicações dependentes.

[0043] As características e vantagens de um queimador industrial autorregenerativo e de um forno industrial para realizar processos de combustão de autorregeneração, de acordo com a presente invenção, tornar-se-ão mais evidentes pela seguinte descrição, fornecida como um exemplo e não para limitar fins, referida com os desenhos esquemáticos anexados, em que:

[0044] As Figuras 1 a 4 mostram esquematicamente os modos operacionais de queimadores “autorregenerativos” de acordo com a técnica anterior;

[0045] A Figura 5 mostra esquemática e parcialmente a estrutura básica de um queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção;

[0046] As Figura 5A e 5B mostram esquematicamente vistas em elevação lateral e frontal de um detalhe do queimador industrial autorregenerativo da Figura 5;

[0047] A Figura 6 mostra esquematicamente um queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção;

[0048] A Figura 7 é um gráfico que mostra os valores da eficiência de pré- aquecimento em função da temperatura interna da câmara de combustão de um forno industrial de um queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção, em comparação com aqueles de um queimador industrial autorregenerativo de acordo com a técnica anterior;

[0049] A Figura 8 mostra esquematicamente uma primeira modalidade alternativa do queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção, com um detalhe em uma escala ampliada ao lado;

[0050] A Figura 9 mostra esquematicamente possíveis configurações da extremidade longe dos segundos bicos do queimador industrial autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, alternativamente passado através do ar de combustão e pelos gases de exaustão de combustão;

[0051] A Figura 10 mostra esquematicamente uma segunda modalidade alternativa do queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção;

[0052] A Figura 11 mostra esquematicamente uma terceira modalidade alternativa do queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção;

[0053] A Figura 12 mostra esquematicamente uma quarta modalidade alternativa do queimador industrial autorregenerativo de acordo com a presente invenção;

[0054] A Figura 13 é uma vista axonométrica de uma possível modalidade da estrutura básica do queimador autorregenerativo de acordo com a presente invenção;

[0055] A Figura 14 é uma vista axonométrica do queimador da Figura 13, indicando as linhas do fluxo de ar de combustão e do fluxo de gases de exaustão de combustão;

[0056] A Fig. 15 é uma vista frontal da Figura 13, indicando as linhas do fluxo de ar de combustão e do fluxo de gases de exaustão de combustão;

[0057] A Figura 16 é uma vista em elevação lateral da Figura 13;

[0058] A Figura 17 é um gráfico mostrando o estado em curso da temperatura do ar de combustão, dos gases de exaustão de combustão, e aquela dentro de um forno de tratamento térmico, no qual um queimador industrial autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, foi aplicado, em função de tempo;

[0059] A Figura 18 é um gráfico mostrando os valores de emissão de oxigênio, monóxido de carbono, e óxidos de nitrogênio detectados durante a operação do forno sob as condições indicadas no gráfico da Figura 13.

[0060] Com referência às Figuras 5 a 16, um queimador industrial autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, aplicado em um forno industrial 100 para o tratamento térmico de produtos, em particular, produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais de metal e inorgânicos, foi totalmente indicado por 10.

[0061] É especificado que o uso na seguinte descrição e nas reivindicações anexas de adjetivos tais como “primeiro”, “segundo”, “terceiro” ou similar, é apenas feito para fins de apresentação de clareza.

[0062] Também é especificado que, na presente descrição, por “ar de combustão” pretende-se indicar ar comburente ou, em qualquer caso, um comburente que ajude a combustão de um combustível, enquanto por “gases de exaustão de combustão” pretende-se indicar os vapores produzidos pela combustão do combustível.

[0063] Por combustível pretende-se indicar um combustível gasoso ou líquido e, em particular, gás natural.

[0064] Além disso, as Figuras anexas mostram, somente esquematicamente, o queimador industrial autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, em diferentes possíveis variantes e o seu princípio operacional; em particular, a Figura 6 sozinha mostra o queimador industrial autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, completo, com os elementos de armazenagem de calor e o dispositivo de comutação para mudar os fluxos do ar de combustão e dos gases de exaustão de combustão que, em qualquer caso, têm que ser considerados estando presentes em um queimador “autorregenerativo” industrial de acordo com a presente invenção, e, em particular, têm que ser considerados como estando presentes em um queimador industrial autorregenerativo, como esquematicamente representado nas Figuras anexadas 5, 8, 10, e 11 a 16.

[0065] O forno industrial 100 é somente esquematicamente mostrado, e sua câmara, dentro da qual o desejado tratamento térmico é realizado, isto é, a câmara de combustão 101, é indicada com 101.

[0066] O queimador 10 compreende uma cabeça 11, também chamada “difusor”, com a qual pelo menos um primeiro bico de injeção de combustível 12, que é associável na entrada com um grupo de suprimento de combustível 13, e pelo menos um par de segundos bicos 14 e 15, que são alternativa e seletivamente atravessados pelo ar de combustão e pelos gases de exaustão de combustão, são associados. Em particular, os segundos bicos 14 e 15, de cada par de segundos bicos, são alternativa e seletivamente atravessados pelo ar de combustão que alimenta o queimador 10 e pelos gases de exaustão de combustão produzidos dentro da câmara de combustão 101 e sugados dela por meio do próprio queimador 10.

[0067] Nota-se que as Figuras anexadas 5 a 12 representam apenas um par de segundos bicos 14 e 15; entretanto, é óbvio que o queimador 10 pode compreender mais do que um par de segundos bicos 14 e 15.

[0068] Em uma modalidade preferida do queimador 10, há pelo menos três pares de segundos bicos 14 e 15, cada um alternativa e seletivamente atravessados pelo ar de combustão e pelos gases de exaustão de combustão em predeterminados intervalos de tempo durante a operação do queimador 10. Uma tal modalidade é parcialmente representada nas Figuras 13 a 16.

[0069] O queimador 10 também compreende um corpo tubular 16, que é aberto nas extremidades opostas e que é disposto na parte frontal da cabeça 11 e coaxial ao primeiro bico de injeção de combustível 12.

[0070] O corpo tubular 16 tem uma extremidade, que é próxima a ou, em qualquer caso, associada com ou aplicada à face da cabeça 11 em que o primeiro bico 12 e os segundos bicos 14 e 15 saem ou, em qualquer caso, projetam-se.

[0071] A extremidade oposta do corpo tubular 16 e, portanto, distante, faceando a cabeça 11, estende-se dentro da câmara de combustão 101; em outras palavras, o corpo tubular 16 estende-se para a câmara de combustão 101.

[0072] De acordo com um aspecto peculiar da presente invenção: • cada um dos segundos bicos 14 e 15 compreende pelo menos uma primeira parte tubular 140 e 150, que se situa radialmente fora do corpo tubular 16 e em cuja extremidade pelo menos um respectivo primeiro orifício 14a e 15a, alternativamente para a saída do ar de combustão e para a entrada dos gases de exaustão de combustão, é definido, dito primeiro orifício sendo radialmente disposto fora do corpo tubular 16 e em uma distância definida d de sua superfície lateral externa, • o corpo tubular 16 compreende pelo menos uma abertura radial 17, que é obtida quando passando através de sua parede lateral e que atua como uma entrada para o ar de combustão, ou pelo menos por uma sua fração; dito ar de combustão, alternativamente saindo de um dos segundos bicos 14 e 15, entra no corpo tubular 16, onde se mistura com o combustível saindo pelo primeiro bico 12.

[0073] De acordo com um outro aspecto peculiar da presente invenção, a primeira parte tubular 140 e 150 de cada segundo bico 14 e 15 de cada par de segundos bicos, tem um eixo geométrico longitudinal central, esquematicamente indicado pela linha A, que é inclinado com o respectivo eixo geométrico longitudinal central do próprio corpo tubular 16 e esquematicamente indicado pela linha B.

[0074] Em maiores detalhes, como representado esquematicamente nas Figuras 5A e 5B, a inclinação do eixo geométrico longitudinal central A de cada primeira parte tubular 140 e 150, de cada segundo bico 14 e 15, tem pelo menos um primeiro componente de inclinação “radial” r convergindo para o eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16 (Figura 5A).

[0075] Vantajosamente, a inclinação do eixo geométrico longitudinal central A de cada primeira parte tubular 140 e 150 de cada segundo bico 14 e 15 tem pelo menos um segundo componente de inclinação “tangencial” t que dispõe o eixo geométrico longitudinal central A de cada parte tubular 140 e 150 em um plano inclinado com relação ao eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16 (Figura 5B), de modo que o eixo geométrico longitudinal central A não intersecte o eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16.

[0076] Geralmente, portanto, o eixo geométrico longitudinal central A de cada primeira parte tubular 140 e 150 de cada segundo bico 14 e 15 é oblíquo com relação ao eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16.

[0077] A Figura 5A mostra esquematicamente um segundo bico 14 ou 15 de cada par de segundos bicos, dito segundo bico 14 contendo um duto 141 ou 151, cujo eixo geométrico longitudinal central (indicado pela linha C) é substancialmente paralelo ao eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16.

[0078] A respectiva primeira parte tubular 140 ou 150 estende-se de uma extremidade do duto 141 ou 151, em particular, de sua extremidade oposta ao faceando para a cabeça 11.

[0079] Considerando-se o plano contendo o eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16 e o eixo geométrico longitudinal central C do duto 141 ou 151, isto é, o plano do desenho da Figura 5A, o eixo geométrico longitudinal central A ou, de preferência, sua projeção em um tal plano, tem uma inclinação radial de um ângulo αr com relação ao eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16.

[0080] É evidente que, no caso em que o eixo geométrico longitudinal central A da primeira parte tubular 140 ou 150 de cada segundo bico 14 ou 15 estiver também equipado com uma inclinação tangencial αt, a primeira parte tubular 140 ou 150 não se situa no plano do desenho da Figura 5A.

[0081] A Figura 5B mostra esquematicamente uma vista frontal da Figura 5A; ela representa esquematicamente a inclinação tangencial αt do eixo geométrico longitudinal central A da parte tubular 140 ou 150 de cada segundo bico 14 ou 15.

[0082] A inclinação total do eixo geométrico longitudinal central A da primeira parte tubular 140 e 150 direciona o fluxo de ar de combustão, introduzido pelo respectivo segundo bico 14 e 15, para o corpo tubular 16 ou, de preferência, para a correspondente abertura 17 obtida no corpo tubular 16, a fim de direcionar o jato de ar de combustão para o corpo tubular 16 (inclinação radial αr), também concedendo a dito jato um movimento de turbilhão (inclinação tangencial αt). Por exemplo, o ângulo de inclinação radial αr pode ser selecionado na faixa de 10°-60°, e o ângulo de inclinação tangencial αt pode ser selecionado na faixa de 0°-15°; em uma possível modalidade, o ângulo de inclinação radial αr é igual a 30°, e o ângulo de inclinação tangencial αt é igual a 5°. As Figuras 14 e 15 mostram claramente as linhas do fluxo de ar de combustão introduzido dentro do corpo tubular 16, e as linhas do fluxo de gases de exaustão sugados.

[0083] Em maiores detalhes, o primeiro bico 12 estende-se dentro do corpo tubular 16 para uma extensão, de modo que seu orifício de saída 12a situe-se na parte longitudinal do corpo tubular 16 em que as aberturas 17 são obtidas. Em particular, o orifício de saída 12a situa-se em um plano transversal do corpo tubular 16 que intersecta as aberturas 17 em sua meia-extensão paralela ao eixo geométrico longitudinal central B do corpo tubular 16. Entretanto, modalidades alternativas não são excluídas, em que o orifício de saída 12a situa-se em um diferente plano transversal do corpo tubular 16. Por exemplo, o orifício de saída 12a pode ser localizado em um plano transversal do corpo tubular 16 que intersecta as aberturas 17 em um ponto que, considerando-se a extensão das aberturas 17 em uma direção paralela ao eixo geométrico longitudinal central B do próprio corpo tubular 16, é compreendido entre a meia-extensão das próprias aberturas 17 e a sua extremidade terminal faceando a parte oposta com relação à cabeça 11.

[0084] Na parede lateral do corpo tubular 16 há uma pluralidade de aberturas 17 arranjadas distanciadas entre si ao longo de pelo menos uma parte circunferencial do corpo tubular 16; em particular, na parede lateral do corpo tubular 16 é obtido um número de aberturas 17 igual ao número de segundos bicos 14, 15.

[0085] Para cada par de segundos bicos 14 e 15, um respectivo par de aberturas 17 pode ser provido, cada um deles faceia um respectivo primeiro orifício 14a e 15a; alternativamente, uma única abertura 17 pode ser provida, que é comum aos segundos bicos 14 e 15 do mesmo par de segundos bicos e que ambos os primeiros orifícios 14a e 15a, dos segundos bicos 14 e 15 de um tal par, faceiam. Neste último caso, portanto, haverá um número de aberturas 17 igual a metade do número de segundos bicos 14 e 15 e, portanto, igual ao número de pares dos segundos bicos 14 e 15, em que cada abertura 17 é intertravada aos dois segundos bicos 14 e 15 do mesmo par, como representado nas Figuras 13 a 16, em que há três pares de segundos bicos 14 e 15 e três aberturas 17.

[0086] Em geral, portanto, o número de segundos bicos 14 e 15 é igual e o corpo tubular 16 compreende um número de aberturas 17 igual ao número de segundos bicos 14 e 15, em que cada abertura 17 é intertravada com um respectivo segundo bico, ou um número de aberturas 17 igual a metade do número de segundos bicos 14 e 15 (isto é, o número de aberturas 17 é igual ao número de pares dos segundos bicos 14 e 15), em que cada abertura 17 é intertravada com um respectivo par de segundos bicos 14 e 15.

[0087] No limite, um único par de segundos bicos 14 e 15 e uma única abertura 17, em que ambos os primeiros orifícios 14a e 15a faceiam, estão presentes.

[0088] Os segundos bicos 14, 15 são dispostos de modo que seus primeiros orifícios 14a e 15a, alternativamente para a saída do ar de combustão e para a entrada dos gases de exaustão de combustão, situam-se radialmente fora do corpo tubular 16 - isto é, em uma circunferência ideal centralizada sobre o eixo geométrico longitudinal B do corpo tubular 16 e tendo um diâmetro maior do que o diâmetro externo de parte do corpo tubular 16 faceando-o - e pelo menos parcialmente faceia uma respectiva abertura 17 em uma distância não-zero d da superfície lateral externa do corpo tubular 16.

[0089] Em particular, os próprios segundos bicos 14 e 15 situam-se radialmente fora do corpo tubular 16.

[0090] No caso em que mais pares de segundos bicos 14 e 15 estão presentes, os segundos bicos que, em um e no mesmo ciclo operacional do queimador 10, são atravessados pelo ar de combustão ou pelos gases de exaustão de combustão, podem ser dispostos, distanciados entre si, em uma respectiva superfície meia- cilíndrica que se enrola externamente em torno do corpo tubular 16, ou podem ser dispostos alternados com os segundos bicos que no mesmo ciclo operacional do queimador 10 são atravessados pelo fluxo oposto, este último caso sendo representado, por exemplo, nas Figuras 13 a 16.

[0091] Como é evidente pela Figura 9, a extremidade da primeira parte tubular 140 e 150, de cada segundo bico 14 e 15 que define o respectivo primeiro orifício 14a e 15a, é adequadamente conformada e é definida sobre um plano deitado, que pode ser ortogonal ou inclinado com relação ao eixo geométrico longitudinal central A por um ângulo β (Figura 9).

[0092] Modificando-se os valores dos ângulos de inclinação radial αr e tangencial αt, e como definindo acima, é possível gerar um movimento de “turbilhão” do ar de combustão injetado no corpo tubular 16 e, portanto, atuar sobre a extensão da chama gerada pelo queimador 10. Por outro lado, modificando-se o ângulo de inclinação β dos orifícios de saída 14a e 15a, é possível ainda localizar a sucção dos gases de exaustão de combustão em áreas não afetadas pela chama.

[0093] Dentro do corpo tubular 16 é disposto um dispositivo acionador 18, que é adequado para gerar a faísca de ignição da combustão.

[0094] O primeiro bico 12 injeta o combustível dentro do corpo tubular 16, formando um jato que se propaga da parte longitudinal do corpo tubular 16 em que as aberturas 17 são obtidas.

[0095] Um dos dois segundos bicos, das Figuras 5, 10, 11, 12 e 14 do segundo bico 14 e na Figura 15 do segundo bico 15, é usado para injetar o ar de combustão dentro da câmara de combustão 101, enquanto o outro dos dois segundos bicos, das Figuras 5, 10, 11, 12 e 14 do segundo bico 15 e na Figura 15 do segundo bico 14, é usado para sugar os gases de exaustão de combustão da câmara de combustão 101, como esquematicamente indicado pelas setas mostradas ali.

[0096] O ar de combustão injetado pelo segundo bico 14 penetra no corpo tubular 16 através da faceante abertura 17. O ar de combustão que entra no corpo tubular 16 mistura-se com o combustível injetado ali dentro pelo primeiro bico 12 e, após acionamento, uma chama F é gerada, dentro do corpo tubular 16, que é capaz de ser estabilizada, também com a ajuda de provisões e/ou sistemas conhecidos à pessoa hábil na técnica e, por esta razão, não detalhados, e permanecer confinada e fixada ao corpo tubular 16.

[0097] Os gases de exaustão de combustão são sugados de uma área externa (radialmente externa) ao corpo tubular 16 pelo segundo bico 15. Uma vez que a chama F é confinada dentro do corpo tubular 16 e, em qualquer caso, fixada ao corpo tubular 16, a sucção pelo segundo bico 15, de substâncias não queimadas diretamente da própria chama F, é evitada.

[0098] Como conhecido da pessoa hábil na técnica, de fato, a sucção de um gás por um bico é muito localizada na extremidade de entrada do próprio bico; ao contrário, um jato de gás emitido por um bico é coerente com ele mesmo até em uma distância da extremidade de saída do próprio bico. Neste caso específico, o jato de ar de combustão emitido pelo segundo bico 14 permanece coerente com ele próprio mesmo em uma distância do primeiro orifício 14a do qual ele é emitido, de modo que o ar de combustão consiga penetrar dentro do corpo tubular 16 através da abertura faceante 17. Os gases de exaustão de combustão, ao contrário, são sugados pelo segundo bico 15 localizado e próximo a seu primeiro orifício 15a que, deitado fora do corpo tubular 16, evita a sucção de substâncias não queimadas do interior do próprio corpo tubular 16.

[0099] Este efeito, além disso, pode ser suportado pelo fato de que os gases de exaustão de combustão presentes fora do corpo tubular 16 podem ser sugados para dentro dele através das mesmas aberturas e, assim, serem recirculados, mesmo se o que principalmente evitar a sucção de substâncias não queimadas vindas da chama for a localização da sucção dos gases de exaustão de combustão do primeiro orifício 14a e 15b dos segundos bicos 14 e 15.

[0100] A Figura 6 mostra um queimador 10, de acordo com a presente invenção, representado completo com os elementos de armazenagem de calor e com o dispositivo de comutação dos fluxos de ar de combustão e dos gases de exaustão de combustão.

[0101] O queimador 10 compreende um par de elementos de armazenagem de calor respectivamente indicados com 19 e 20, que são separados entre si e dispostos a montante da face de cabeça 11, oposta àquela em que o primeiro bico 12 e os segundos bicos 14 e 15 saem ou projetam-se.

[0102] Os elementos de armazenagem de calor 19 e 20 têm uma estrutura conhecida e, por esta razão, não são descritos em detalhes; em particular, eles contêm uma massa de regeneração que é adequada para trocar calor com o fluido que passa através dela e que pode, por exemplo, ter uma estrutura de colmeia ou uma estrutura de mancal de esferas, e podem ser feitos de materiais de cerâmica.

[0103] Os dois elementos de armazenagem de calor 19 e 20 podem também consistir de seções separadas de um único elemento de armazenagem de calor, que são termicamente isolados entre si.

[0104] Cada um de tais elementos de armazenagem de calor 19 e 20 está em comunicação fluida com um segundo orifício, 14b e 15b, respectivamente, alternativamente para a entrada de ar de combustão e para a saída de gases de exaustão de combustão, de pelo menos um respectivo segundo bico 14 e 15, onde o segundo orifício 14b e 15b é oposto ao respectivo primeiro orifício 14a e 15a.

[0105] Na extremidade dos elementos de armazenagem de calor 19 e 20, oposta aquela em comunicação fluida com os segundos bicos 14 e 15, há um dispositivo de comutação 21 para mudar o fluxo que atravessa os segundos bicos 14 e 15 e o respectivo elemento de armazenagem de calor 19 e 20.

[0106] Em maiores detalhes e com específica referência à Figura 6, o elemento de armazenagem de calor 19 está em comunicação fluida com o segundo orifício 14b do segundo bico 14, e o elemento de armazenagem de calor 20 está em comunicação fluida com o segundo orifício 15b do segundo bico 15.

[0107] O dispositivo de comutação 21, na prática consistindo de um conjunto de válvulas ON-OFF (liga-desliga), pode ser controlado entre uma primeira posição e uma segunda posição.

[0108] Na primeira posição, representada no primeiro diagrama da Figura 6, o ar de combustão é alimentado através do elemento de armazenagem de calor 19 e o respectivo segundo bico 14, enquanto os gases de exaustão de combustão são sugados pelo outro segundo bico 15 e injetados por ele dentro do respectivo elemento de armazenagem de calor 20.

[0109] Na segunda posição, representada no segundo diagrama da Figura 6, os fluxos de ar de combustão e dos gases de exaustão de combustão são invertidos: o ar de combustão é alimentado através do elemento de armazenagem de calor 20 e o respectivo segundo bico 15, enquanto os gases de exaustão de combustão são sugados pelo outro segundo bico 14 e injetados por ele para o respectivo elemento de armazenagem de calor 19. Deste modo, os dois elementos de armazenagem de calor 19 e 20 alternativamente acumulam e liberam calor, respectivamente, dos gases de exaustão de combustão e para o ar de combustão que os atravessam.

[0110] O queimador 10, portanto, é capaz de operar sob condições “autorregenerativas” e, portanto, do pré-aquecimento do ar de combustão eficazmente, mesmo quando a temperatura dentro da câmara de combustão 101 está abaixo da temperatura de autoignição do combustível (800 °C para gás natural).

[0111] A provisão do corpo tubular 16 e seu arranjo e estrutura em relação aos segundos bicos 14 e 15, de fato, permite que uma combustão seja realizada com uma chama estável e confinada ou, em qualquer caso, uma chama que seja fixada ao corpo tubular 16, sugando os gases de exaustão de combustão da câmara de combustão 101 para recuperar seu calor, a fim de pré-aquecer o ar de combustão usado para gerar e manter a própria chama, sem o risco de sugar com eles substâncias não queimadas da própria chama.

[0112] A Figura 7 mostra um gráfico informando os valores da eficiência de pré- aquecimento em função da temperatura dentro da câmara de combustão de um forno industrial de um queimador “autorregenerativo” industrial 10, de acordo com a presente invenção, em comparação com aqueles de um queimador “autorregenerativo” industrial de acordo com a técnica anterior.

[0113] Nota-se que a eficiência de pré-aquecimento do queimador “autorregenerativo”, de acordo com a presente invenção, sempre é igual a cerca de 80 %, seja qual for a temperatura dentro da câmara de combustão e, em particular, mesmo em temperaturas abaixo de 800 °C. Ao contrário, a eficiência de pré- aquecimento dos queimadores “autorregenerativos” de acordo com a técnica anterior cai para 0 ou para 40 % quando a temperatura dentro da câmara de combustão é abaixo de 800 °C, uma vez que eles não são capazes de produzir uma chama fixa e estável que seja compatível com o pré-aquecimento, através de autorregeneração de 100 % do ar de combustão.

[0114] Em particular, testes experimentais foram realizados sobre a operação de um queimador autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, do tipo daquele representado nas Figuras 13 a 16, e equipado com três pares de segundos bicos igualmente afastados entre si ao longo de uma circunferência, que é concêntrica e externa ao corpo tubular e a cada um de ditos segundos bicos faceando uma respectiva abertura obtida no próprio corpo tubular, em que o eixo geométrico longitudinal central da primeira parte tubular de cada segundo bico é inclinado por um ângulo de inclinação radial igual a 30° e por um ângulo de inclinação tangencial igual a 5°.

[0115] O queimador de objetivo de tais testes experimentais tem uma potência de 650 kW e foi instalado em um forno equipado com uma câmara de seção- quadrada, tendo 2m de lado e comprimento igual a 5,5m. Os testes foram realizados usando-se gás natural como combustível, operando com um excesso de ar de combustão compreendido entre 10 % e 15 %; os testes foram realizados operando tanto na taxa de fluxo nominal máxima como em taxas de fluxo menores do que a última por cerca de 50-55 %. A inversão do fluxo de ar de combustão e do fluxo de gases de exaustão de combustão, respectivamente, injetados e sugados por cada segundo bico, ocorreu a cada 20 ou 30 segundos. A taxa de fluxo dos gases de exaustão de combustão sugados através do queimador é igual a cerca de 80-90 % dos gases produzidos pela combustão. O queimador foi testado tanto no modo ON/OFF (isto é, sucessivamente mudando liga e desliga) como no modo contínuo (isto é, introdução contínua de gás de combustão).

[0116] Os gráficos mostrados nas Figuras 17 e 18 mostram os dados detectados experimentalmente.

[0117] A Figura 17 mostra a temperatura do estado em curso em função de tempo; é observado que a temperatura dentro do forno é compreendida entre 580 °C e 740 °C, o ar de combustão é pré-aquecido em uma temperatura compreendida entre 500 °C e 650 °C, enquanto os gases de exaustão de combustão são esfriados a cerca de 100 °C.

[0118] A Figura 18 é um gráfico mostrando os valores de oxigênio (O2), monóxido de carbono (CO), e óxidos de nitrogênio (NOx) detectados nos gases de exaustão de combustão sugados do queimador sendo executados sob as condições indicadas no gráfico da Figura 16. Em particular, observa-se que os valores de monóxido de carbono (CO) presente nos gases de exaustão de combustão, sugados do queimador, são menores do que 20 ppm.

[0119] A Figura 8 mostra uma primeira modalidade alternativa do queimador autorregenerativo 10, de acordo com a presente invenção, em que cada segundo bico 14 e 15 compreende uma seção tubular (na prática consistindo dos dutos 141 e 151) que se projeta da cabeça 11 para o interior da câmara de combustão 101, que, em qualquer caso, situa-se fora do corpo tubular 16 e que se une com a respectiva primeira parte tubular 140, 150, em que é obtida pelo menos uma fenda radial 22 em uma tal seção tubular. A finalidade de tais fendas 22 é a de ainda promover a sucção dos gases de exaustão de combustão em uma área da câmara de combustão 101 que não seja afetada pela chama. Quando cada segundo bico 14 e 15 é usado para introduzir o ar de combustão e é, portanto, atravessado pelo fluxo de ar de combustão, a quantidade de ar que sai da respectiva fenda 22 é insignificante. Quando, ao contrário, cada segundo bico 14 e 15 é usado para sugar os gases de exaustão de combustão da câmara de combustão, estes gases são sugados tanto através das respectivas primeiras extremidades 14 a e 15a, como através da respectiva fenda 22 (como esquematicamente representado pelas setas de diferentes espessuras mostradas no detalhe em escala ampliada).

[0120] A Figura 10 mostra uma segunda modalidade alternativa do queimador autorregenerativo, de acordo com a presente invenção, em que há um par de primeiros bicos 12 e 12’, respectivamente, dispostos coaxiais entre si, e dos quais um (o primeiro bico 12’) está dentro do outro (o primeiro bico 12) e, portanto, tendo um diâmetro menor do que o último.

[0121] Os primeiros bicos 12, 12’ são associados na entrada com um grupo de suprimento de combustível 13 por meio de um grupo de comutação 23.

[0122] O grupo de comutação 23, na prática consistindo de válvulas ON-OFF, é disposto para mudar o fluxo de suprimento de combustível alimentado pelos primeiros bicos 12 e 12’ entre pelo menos uma primeira configuração operacional do queimador 10, em que o queimador 10 opera sob condições de chama limitada ou, em qualquer caso, fixada ao corpo tubular 16, e o combustível é alimentado através do primeiro bico mais externo 12, e pelo menos uma segunda configuração operacional, em que o queimador 10 opera sob condições de chama separada do corpo tubular 16 ou sob condições sem chama, e o combustível é alimentado através do primeiro bico 12’ dentro do outro bico.

[0123] Esta segunda configuração operacional do queimador 10 é obtida quando a temperatura interna da câmara de combustão 101 excede a temperatura de autoignição do combustível (isto é, 800 °C). Isto, se necessário, permite que as emissões de NOx sejam reduzidas quando a temperatura dentro da câmara de combustão 101 está acima de 800 °C.

[0124] Esta segunda modalidade alternativa do queimador 10 também permite que a chama seja estendida se necessário, devido ao fato de que a própria chama é separada do corpo tubular 16. Tipicamente, o primeiro bico mais interno 12’ introduz o combustível em alta velocidade de introdução, geralmente compreendida entre 80 m/s e 130 m/s.

[0125] A Figura 11 mostra esquematicamente uma terceira possível modalidade alternativa do queimador autorregenerativo 10, de acordo com a presente invenção, em que o queimador 10 também compreende pelo menos um par de terceiros bicos de injeção de combustível 24, que é associável, na entrada, com o grupo de suprimento de combustível 13, e que é disposto radialmente fora do corpo tubular 16 e substancialmente paralelo ao eixo geométrico longitudinal B do corpo tubular 16.

[0126] Um respectivo grupo de comutação 23 do fluxo de suprimento de combustível é disposto para mudar o fluxo de combustível alimentado através do primeiro bico 12 e dos terceiros bicos 24, entre pelo menos uma primeira configuração operacional e uma segunda condição operacional do queimador 10.

[0127] Na primeira configuração operacional, o queimador 10 opera sob condições de chama limitada ou, em qualquer caso, fixada ao corpo tubular 16, e o combustível é alimentado através do primeiro bico 12.

[0128] Na segunda condição operacional, o queimador 10 opera sob condições sem chama, a temperatura dentro da câmara de combustão sendo acima da temperatura de autoignição do combustível (isto é, 800 °C), e o combustível é alimentado através dos terceiros bicos 24. Mesmo neste caso, se necessário, isto permite que as emissões de NOx sejam reduzidas em temperaturas internas da câmara de combustão acima de 800 °C.

[0129] Os terceiros bicos 24 introduzem o combustível diretamente dentro da câmara de combustão 101 em alta velocidade, geralmente compreendida entre 80 m/s e 130 m/s.

[0130] A Figura 12 mostra uma quarta possível modalidade alternativa do queimador autorregenerativo 10, de acordo com a presente invenção, em que cada segundo bico 14 e 15 compreende pelo menos uma segunda parte tubular 142, 152 em uma extremidade na qual um orifício auxiliar é definido, 14c e 15c respectivamente, alternativamente para a saída do ar de combustão e para a entrada dos gases de exaustão de combustão, em que dita segunda parte tubular 142, 152 (e com seu respectivo orifício auxiliar 14c, 15c) situa-se radialmente fora do corpo tubular 16 e tem o respectivo eixo geométrico longitudinal central A’, que é substancialmente paralelo ao eixo geométrico longitudinal B do corpo tubular 16.

[0131] Cada segundo bico 14 e 15, portanto, quando atravessado pelo ar de combustão, introduz uma fração do último dentro do corpo tubular 16, por meio dos primeiros orifícios 14a e 15a e da abertura faceante 17, e uma fração diretamente dentro da câmara de combustão 101, em uma direção paralela ao eixo geométrico do corpo tubular 16.

[0132] Deste modo, é possível, se necessário, diminuir a quantidade de NOx e/ou estender a chama F.

[0133] Considerando-se um queimador 10, de acordo com a presente invenção aplicada a um forno 100 para o tratamento térmico de produtos, em particular, produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais metálicos e inorgânicos, ele pode ser controlado com as etapas compreendendo: • alimentar o combustível através do pelo menos primeiro bico 12 com uma velocidade de introdução compreendida entre 15 m/s e 30 m/s, assim gerando, em particular, um jato de combustível que é mantido coerente pelo menos por uma distância axial igual a ou maior do que a distância axial entre o orifício de saída 12a do próprio primeiro bico 12 e as aberturas 17; • alimentar o ar de combustão introduzindoo dentro de um dos segundos bicos 14 e 15 com uma velocidade de introdução compreendida entre 30 m/s e 100 m/s, gerando assim um jato de ar de combustão que é mantido substancialmente coerente, pelo menos quanto à distância que separa os respectivos primeiros orifícios 14a e 15a da superfície lateral externa do corpo tubular 16, em que pelo menos uma fração do ar de combustão assim alimentado entra, através da correspondente abertura 17, no corpo tubular 16, onde misturase com o combustível alimentado pelo primeiro bico 12 para gerar uma chama F que é confinada ou, em qualquer caso, fixada ao corpo tubular 16; • evacuar os gases de exaustão de combustão saindo pela extremidade do corpo tubular 16, oposta aquela faceando a cabeça 11 ou, em qualquer caso, presente na câmara de combustão 101, sugandoos do exterior do corpo tubular 16, através do outro dos segundos bicos 14 e 15, com uma velocidade de sucção compreendida entre 30 m/s e 100 m/s.

[0134] Uma vez que o queimador 10 é do tipo “autorregenerativo”: • o suprimento de ar de combustão compreende tornar o fluxo de ar de combustão, através do elemento de armazenagem de calor 19 ou 20, associado com o segundo bico 14 ou 15 usado para alimentar o ar de combustão, antes de ele ser introduzido no último, e • a evacuação dos gases de exaustão de combustão da câmara de combustão 101 compreende tornar os gases de exaustão de combustão sugados pelo outro dos segundos bicos 14 ou 15, através do respectivo fluxo do elemento de armazenagem de calor 19 ou 20.

[0135] Os fluxos do ar de combustão e dos gases de exaustão de combustão que atravessam os segundos bicos 14 e 15 e os respectivos elementos de armazenagem de calor 19 e 20 são invertidos em intervalos de tempo pré- determináveis, de modo que o calor armazenado no elemento de armazenagem de calor 19 ou 20, previamente atravessado pelos gases de exaustão de combustão, é liberado para o ar de combustão pré-aquecendo-o, e o outro elemento de armazenagem de calor 19 ou 20 acumula o calor dos gases de exaustão sendo evacuados.

[0136] Se o queimador 10 for do tipo representado nas Figuras 10 ou 11, quando a temperatura dentro da câmara de combustão 101 está acima da temperatura de autoignição do combustível (isto é, 800 °C), o suprimento de combustível através do primeiro bico 12 é interrompido e o combustível é alimentado, respectivamente, através do outro primeiro bico 12’, ou dos terceiros bicos 24, com uma velocidade de introdução compreendida entre 80 m/s e 130 m/s, para gerar uma combustão sem chama a jusante do corpo tubular 16, ou para gerar uma chama separada do corpo tubular 16.

[0137] O queimador industrial de objetivo da presente invenção tem a vantagem de ser capaz de operar como queimador “autorregenerativo” que, independente da temperatura dentro da câmara de combustão, é capaz de gerar uma chama que pode ser estabilizada e fixada usando-se para isso apenas ar de combustão pré- aquecido, em vez de ar de combustão frio.

[0138] O queimador “autorregenerativo” industrial, de acordo com a presente invenção, tem a vantagem de também ser capaz de operar no modo de chama, e não somente no modo sem chama, pré-aquecendo a totalidade do ar de combustão e sendo capaz de manter o nível de substâncias não queimadas (em particular CO) sugadas juntamente com os vapores de combustão, abaixo dos limites estabelecidos pelos padrões atuais (tipicamente, abaixo de 100 ppm).

[0139] O queimador industrial autorregenerativo e forno industrial para realizar os processos de combustão de autorregeneração, assim concebidos, podem sofrer numerosas modificações e variantes, todas sendo abrangidas pela invenção; além disso, todos os detalhes podem ser substituídos por elementos tecnicamente equivalentes. Na prática, os materiais usados, bem como as dimensões, podem ser qualquer um de acordo com as exigências técnicas.

Claims (19)

1. Queimador industrial autorregenerativo (10), compreendendo: • uma cabeça (11) com a qual pelo menos um primeiro bico de injeção de combustível (12), que pode ser associado na entrada com um grupo de suprimento de combustível (13), e pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), que podem ser alternativa e seletivamente atravessados pelo ar de combustão e gases de exaustão de combustão, são associados, e • um corpo tubular (16) aberto nas extremidades opostas e disposto, na parte frontal de cabeça (11) e coaxial ao pelo menos um primeiro bico (12), com uma extremidade próxima à face de cabeça (11) na qual o primeiro bico (12) e o pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) saem ou projetam-se, e a extremidade oposta distante da face, em que, quando o queimador (10) é aplicado a uma câmara de combustão (101), ou a câmara de um forno industrial (100), o corpo tubular (16) estende-se para câmara de combustão (101), em que cada um dos segundos bicos (14, 15) compreende pelo menos uma primeira parte tubular (140, 150), que se situa radialmente fora do corpo tubular (16) e em cuja extremidade pelo menos um primeiro orifício (14a, 15a) é definido, o primeiro orifício, estando radialmente fora do corpo tubular e estando alternativamente para a saída do ar de combustão e para a entrada de gases de exaustão de combustão, e caracterizado pelo fato de que o corpo tubular (16) compreende pelo menos uma abertura radial (17) obtida atravessando sua parede lateral, em que a pelo menos uma abertura (17) atua como uma entrada para pelo menos o ar de combustão saindo de um dos segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14,15), ou para pelo menos uma fração do mesmo, no corpo tubular (16), onde o ar de combustão se mistura com o combustível saindo de pelo menos um primeiro bico (12).

2. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo tubular (16) compreende uma pluralidade das aberturas radiais (17) dispostas para serem espaçadas entre si ao longo de pelo menos uma parte circunferencial do corpo tubular (16).

3. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um primeiro bico (12) estende-se no corpo tubular (16) até pelo menos uma parte longitudinal do mesmo em que a pelo menos uma abertura radial (17) é obtida.

4. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) inclui o respectivo primeiro orifício (14a, 15a), alternativamente para a saída do ar de combustão e para a entrada dos gases de exaustão de combustão, que é disposta radialmente fora de corpo tubular (16) em uma respectiva abertura radial (17), e em uma distância definida (d) da superfície lateral externa do corpo tubular (16).

5. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira parte tubular (140, 150), de cada um dos segundos bicos (14, 15) do pelo menos um par de segundos bicos, tem um eixo geométrico longitudinal central (A) inclinado com relação ao eixo geométrico longitudinal central (B) de corpo tubular (16).

6. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o eixo geométrico longitudinal central (A), da primeira parte tubular (140, 150) de cada dito segundo bico (14, 15), inclui pelo menos um primeiro componente de inclinação radial (αr) convergindo em direção ao eixo geométrico longitudinal central (B) do corpo tubular (16).

7. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o eixo geométrico longitudinal central (A) da primeira parte tubular (140, 150) de cada dito segundo bico (14, 15) inclui um segundo componente de inclinação tangencial (αt).

8. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um par de elementos de armazenagem de calor (19, 20), que são separados entre si e dispostos a montante da face de cabeça (11) oposta aquela em que dito pelo menos um primeiro bico (12) e o pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) saem ou projetam-se, e que estão em comunicação fluida com um segundo orifício (14b, 15b), alternativamente para a entrada de ar de combustão e para a saída de gases de exaustão de combustão, de um respectivo segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), o segundo orifício (14b, 15b) sendo oposto ao primeiro orifício (14a, 15a), e um dispositivo de comutação de fluxo (21) para mudar o fluxo que atravessa os ditos segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) e os respectivos ditos elementos de armazenagem de calor (19, 20), em que dito dispositivo de comutação (21) é controlável entre uma primeira posição, em que o ar de combustão é alimentado através de um dos elementos de armazenagem de calor do pelo menos um par de elementos de armazenagem de calor (19, 20) e o respectivo segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), e os gases de exaustão de combustão são evacuados, através do outro segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) e os respectivos elementos de armazenagem de calor do pelo menos um par de elementos de armazenagem de calor (19, 20), e uma segunda posição, em que os fluxos de ar de combustão e de gases de exaustão de combustão, através dos elementos de armazenagem de calor do pelo menos um par de elementos de armazenagem de calor (19, 20) e os respectivos segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), são invertidos.

9. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro orifício (14a, 15a), alternativamente para a saída de ar de combustão ou para a entrada de gases de exaustão de combustão, de cada um dos segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) situa-se em um plano ortogonal ou inclinado com relação ao eixo geométrico longitudinal central (A) correspondente da respectiva primeira parte tubular (140, 150).

10. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) compreende uma seção tubular que se projeta da cabeça (11), e em que pelo menos uma fenda radial (22) é obtida.

11. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um par dos primeiros bicos (12, 12’) dispostos coaxiais entre si e um grupo de comutação de fluxo de alimentação de combustível (23), configurado para mudar o fluxo de combustível alimentado por ditos primeiros bicos (12, 12’) do par entre pelo menos uma primeira configuração operacional do queimador, em que dito queimador (10) opera sob condições de chama limitada ou, entretanto, fixada ao corpo tubular (16), e o combustível é alimentado através do primeiro bico (12) do par de primeiros bicos coaxiais que circundam o outro, e pelo menos uma segunda configuração operacional, e em que o queimador (10) opera sob condições de chama separada do corpo tubular (16) ou sob condições sem chama, e o combustível é alimentado, através do primeiro bico (12’) do par de primeiros bicos coaxiais que está dentro de outro.

12. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: pelo menos um par de terceiros bicos de injeção de combustível (24), que são associáveis, na entrada, com dito grupo de alimentação de combustível (13), e que são dispostos radialmente fora do corpo tubular (16) e substancialmente paralelos a dito eixo geométrico longitudinal (B) de corpo tubular, e um grupo de comutação de fluxo de alimentação de combustível (23) configurado para mudar o fluxo de combustível alimentado pelo pelo menos um primeiro bico (12) e pelos ditos terceiros bicos (24), entre pelo menos uma primeira configuração operacional do queimador, em que dito queimador (10) opera sob condições de chama limitada ou, entretanto, fixada ao corpo tubular (16) e o combustível é alimentado através do pelo menos um primeiro bico (12), e pelo menos uma segunda configuração operacional, em que o queimador (10) opera sob condições sem chama e o combustível é alimentado através do pelo menos um par de terceiros bicos (24).

13. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) compreende uma segunda parte tubular (142, 152), que se situa radialmente fora d dito corpo tubular (16) e que inclui em uma extremidade pelo menos um orifício auxiliar (14c, 15c), alternativamente para a saída de ar de combustão e para a entrada de gases de exaustão de combustão, que radialmente situa-se fora do corpo tubular (16), e em que o eixo geométrico longitudinal central (A’) da segunda parte tubular (142, 152) é substancialmente paralelo ao eixo geométrico longitudinal central (B) de corpo tubular (16).

14. Queimador (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que primeiro orifício está voltado pelo menos parcialmente para uma abertura respectiva do dito corpo tubular e em que o dito primeiro orifício está disposto a uma distância do eixo geométrico longitudinal do dito corpo tubular maior que o raio externo do dito corpo tubular voltado para o dito primeiro orifício.

15. Forno industrial (101) para o tratamento térmico de produtos, ou produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais metálicos e inorgânicos, caracterizado pelo fato de que compreende: uma câmara de tratamento térmico (101) delimitada por paredes e por uma abóbada, e pelo menos um queimador (10) como definido na reivindicação 1 e que é associado, montado ou integrado em pelo menos uma das paredes ou da abóbada, em que o corpo tubular (16) estende-se para a câmara (101).

16. Método de controle para controlar um queimador (10) como definido na reivindicação 1, quando aplicado a uma câmara de combustão (101), ou em uma câmara de um forno industrial (100) para o tratamento térmico de produtos ou produtos semiacabados e produtos de ferro e aço, materiais metálicos e inorgânicos, caracterizado pelo fato de compreender: • alimentar o combustível através do pelo menos um primeiro bico (12) com uma velocidade de introdução compreendida entre 15 m/s e 30 m/s; • alimentar ar de combustão, introduzindo ar de combustão em um dos segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) com uma velocidade de introdução compreendida entre 30 m/s e 100 m/s, gerando assim um jato de ar de combustão que permanece substancialmente coerente pelo menos quanto à distância que separa o respectivo primeiro orifício (14a, 15a) da superfície lateral externa do corpo tubular (16), em que pelo menos uma fração do ar de combustão assim alimentado entra, através do pelo menos uma abertura radial (17), o corpo tubular (16), onde se mistura com o combustível alimentado por pelo menos um primeiro bico (12), para gerar uma chama limitada ou, entretanto, fixada ao corpo tubular (16); e • evacuar os gases de exaustão de combustão saindo pela extremidade do corpo tubular (16) oposto à extremidade voltada para a cabeça (11) ou, entretanto, presente na câmara de combustão (101), sugando-os do exterior do corpo tubular (16), através do outro dos segundos bicos do pelo menos um par do segundos bicos (14, 15), com uma velocidade de sucção compreendida entre 30 m/s e 100 m/s.

17. Método de controle de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que: • em que a alimentação de ar de combustão compreende fazer o ar de combustão fluir através de um elemento de armazenagem de calor do pelo menos um par de elementos de armazenagem de calor (19, 20), que são separados entre si e dispostos a montante de uma face da cabeça (11) oposta àquela em que o pelo menos um primeiro bico (12) e o pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) saem ou projetam-se e que estão em comunicação fluida com um segundo orifício (14b, 15b), alternativamente para a entrada de ar de combustão e para a saída dos gases de exaustão de combustão, de um respectivo segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), o segundo orifício (14b, 15b) sendo oposto ao primeiro orifício (14a, 15a), antes de introduzi-los no respectivo segundo bico do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15), • em que a evacuação dos gases de exaustão de combustão compreende tornar os gases de exaustão de combustão sugados pelo outro dos segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) e fluírem através do outro elemento de armazenagem de calor do pelo menos um par de elementos de armazenagem de calor (19, 20), e • em que os fluxos de ar de combustão e dos gases de exaustão de combustão que atravessam os segundos bicos do pelo menos um par de segundos bicos (14, 15) são invertidos em intervalos de tempo predetermináveis.

18. Método de controle de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende a interrupção da alimentação de combustível através do pelo menos um primeiro bico (12), e alimentar o combustível introduzindo o combustível através de um outro primeiro bico (12’), coaxial ao e disposto dentro do primeiro bico, com uma velocidade de introdução compreendida entre 80 m/s e 130 m/s, para gerar, quando a temperatura dentro da câmara de combustão (101) é maior do que a temperatura de auto-ignição do combustível, uma combustão sem chama a jusante do corpo tubular (16) ou para gerar uma chama separada do corpo tubular (16).

19. Método de controle de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende, quando a temperatura interna da câmara de combustão (101) é maior do que a temperatura de auto-ignição do combustível, a interrupção da alimentação de combustível através do pelo menos um primeiro bico (12), e alimentar o combustível pela introdução do combustível através de pelo menos um par de terceiros bicos de injeção de combustível (24), disposto radialmente fora do corpo tubular (16) e substancialmente paralelo ao eixo geométrico longitudinal (B) do corpo tubular, com uma velocidade de introdução compreendida entre 80 m/s e 130 m/s, para gerar uma combustão sem chama a jusante do corpo tubular (16).

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