BR112019012179B1 - Aparelho de queimador, e, método de combustão - Google Patents

Abstract

A presente revelação se refere a um queimador (1) que compreende uma passagem central (5) e saídas (44, 45) para combustível e para estabilizar o oxidante disposto perifericamente ao redor da passagem central, e que compreende saídas dentro do queimador através das quais um gás de direcionamento, como gás que compreende oxigênio, pode ser injetado para permitir o controle da direção da chama que é gerada por combustão do combustível e do oxidante na face do queimador.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a queimadores adequados para comburir combustível e oxidante gasoso em uma zona de combustão.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Um queimador convencional empregado para fornecer calor a, por exemplo, um forno é fixado no lugar em uma parede do forno e direciona a chama ou a reação de combustão que emana do queimador para um ponto fixo na zona de combustão dentro do forno. Muitos queimadores têm controles para alterar a forma da chama a partir de, por exemplo, uma chama longa e fina até uma chama curta e espessa para melhor adequar o aquecimento fornecido pelo queimador à demanda exigida pela carga do forno. No entanto, às vezes é necessário ou desejável alterar a direção da chama do queimador. Por exemplo, na fusão de sucata metálica, é desejável mudar a direção da chama para fornecer calor diretamente à sucata não fundida em vez de esperar que as correntes de condução e de convecção forneçam calor à sucata não fundida a partir da área dentro da zona de combustão em que a chama é direcionada.

[003] A patente US n° 5.110.285 apresenta uma forma de alterar a direção da chama de um queimador. Entretanto, a operação de acordo com os ensinamentos dessa patente oferece riscos de se encontrar desvantagens operacionais, como superaquecimento do bocal do queimador e/ou obstrução dos orifícios na extremidade do queimador com subprodutos de combustão provenientes do forno.

[004] A presente invenção evita esses riscos com uma combinação de recursos que permitem uma operação eficiente, ao mesmo tempo em que retém as vantagens da capacidade de alterar a direção da chama do queimador.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] Um aspecto da presente invenção é um aparelho de queimador que compreende

[006] (A) um corpo do queimador que tem: uma passagem central dentro do corpo do queimador que tem uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante axialmente oposta que se abre em uma extremidade a jusante do queimador, sendo que o diâmetro em seção transversal da passagem central aumenta na direção da extremidade a jusante; uma pluralidade de primeiras portas na extremidade a jusante do queimador que estão localizadas de modo substancialmente uniforme ao redor da extremidade a jusante da passagem central, sendo que as primeiras portas são conectadas por primeiras passagens dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas através das quais um primeiro fluido pode ser fornecido, e uma pluralidade de segundas portas na extremidade a jusante do queimador que estão localizadas de modo substancialmente uniforme ao redor da extremidade a jusante da passagem central, sendo que as segundas portas são conectadas por segundas passagens dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas através das quais um segundo fluido pode ser fornecido, sendo que as primeiras e as segundas passagens são separadas umas das outras; sendo que as primeiras portas e as segundas portas estão distantes de modo substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem central; e sendo que a passagem central, as primeiras portas e as segundas portas são as únicas aberturas no aparelho de queimador através das quais o fluido pode fluir para fora da extremidade a jusante do aparelho de queimador; (B) uma cavidade fluida que se comunica em sua extremidade a jusante com a extremidade a montante da passagem central do queimador, sendo que a dita cavidade fluida tem no dito ponto de comunicação um diâmetro D suficiente para permitir que o fluido que passa através do mesmo tenha uma velocidade supersônica, sendo que a dita passagem central tem um comprimento do dito ponto de comunicação até sua extremidade a jusante de 2 D a 9 D e, de preferência, de 3 D a 9 D; (C) uma pluralidade de passagens de gás de direcionamento através das quais o gás de direcionamento pode ser fornecido à cavidade fluida em uma direção substancialmente perpendicular à linha central axial da cavidade fluida, sendo que as ditas passagens têm um diâmetro d, de modo que d/D esteja na faixa de 0,18 a 0,75, sendo que as ditas passagens se comunicam com a cavidade fluida em ponto na faixa de 3 d/4 a montante a d/4 a jusante do ponto de comunicação entre a cavidade fluida e a extremidade a montante da passagem central, sendo que D e d são expressados nas mesmas unidades; e (D) um compartimento que circunda a extremidade a jusante do queimador e que é aberto na extremidade do compartimento que circunda a extremidade a jusante do queimador, sendo que a extremidade aberta do compartimento está situada a uma distância L a jusante da extremidade a jusante do queimador, sendo que L é pelo menos 25% da distância através da extremidade aberta do compartimento, sendo que a porção do compartimento que se estende a jusante da extremidade a jusante do queimador compreende passagens em seu interior através das quais um agente refrigerante pode fluir para absorver o calor gerado pela combustão que ocorre no queimador.

[007] Outro aspecto desta invenção inclui um método de combustão que compreende: (A) fornecer o combustível para fora da extremidade a jusante de um queimador, de acordo com a descrição supracitada, através das primeiras portas do queimador; (B) fornecer o oxidante gasoso para fora da extremidade a jusante do queimador através das segundas portas do queimador; (C) fornecer o oxidante gasoso através da cavidade fluida do queimador supracitado e através e para fora da extremidade a jusante da passagem central do queimador, sendo que o oxidante gasoso flui através da cavidade fluida a uma velocidade de ao menos 400 pés por segundo e, de preferência, 500 pés por segundo, para estabelecer uma zona de pressão reduzida adjacente a uma porção da superfície da passagem central; (D) comburir o combustível e o oxidante gasoso; e (E) periódica ou continuamente, injetar uma corrente de gás de direcionamento que tem um diâmetro d na cavidade fluida em uma direção substancialmente perpendicular à direção de fluxo do oxidante gasoso que passa através da cavidade fluida em um ponto dentro da faixa de 3 d/4 a montante a d/4 a jusante do ponto de comunicação entre a cavidade fluida e a passagem central, sendo que D e d são medidos nas mesmas unidades, alterando, assim, a direção do fluxo do oxidante gasoso que sai da extremidade a jusante da passagem central.

[008] Como usado aqui, o termo "zona de combustão" significa o volume no qual o fluido gasoso passa a partir da saída do queimador.

[009] Como usado aqui, o termo "substancialmente perpendicular" significa dentro de mais ou menos 15 graus.

[0010] Como usado aqui, as portas são situadas "de modo substancialmente uniforme" ao redor da passagem central se os ângulos entre cada par de raios adjacentes do eixo geométrico central da passagem central através do centro de cada porta estiverem, cada um, dentro de 5 graus de (360/N), em que N é o número de portas, e estão "uniformemente" situadas em torno da passagem central se os ângulos entre cada par de raios adjacentes estiverem dentro de 1 grau de (360/N). Por exemplo, se houver 12 portas, elas são consideradas como estando situadas de modo substancialmente uniforme ao redor da passagem central se o ângulo entre cada par de raios adjacentes for de 25 graus a 35 graus, e uniformemente situadas se cada um desses ângulos for de 29 a 31 graus.

[0011] Como usado aqui, um grupo de portas que estão "distantes de modo relativamente uniforme" do eixo geométrico central da passagem central significa que, com referência à porta cujo centro está mais próximo ao eixo geométrico central da passagem central, nenhuma das outras portas no grupo está completamente fora de um círculo cujo centro está no eixo geométrico central e cujo raio é a distância até a borda mais externa daquela porta de referência, e que um grupo de portas estão "distantes de modo substancialmente uniforme" do eixo geométrico central da passagem central se, em relação à porta de referência, nenhuma porção das outras portas no grupo estiver fora de um círculo cujo centro está no eixo geométrico central e cujo raio é a distância até a borda mais externa daquela porta de referência.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A Figura 1 é uma vista frontal de uma modalidade do aparelho de queimador da presente invenção.

[0013] A Figura 2A é uma vista em seção transversal de um queimador visto no plano definido pela linha A-A na Figura 1.

[0014] A Figura 2B é uma vista em seção transversal de um queimador visto no plano definido pela linha B-B na Figura 1.

[0015] A Figura 3 é uma vista em seção transversal de um aparelho de queimador que mostra modalidades adicionais da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0016] Esta invenção é útil em qualquer aplicação na qual o combustível e o oxidante são queimados para gerar calor de combustão que é usado para aquecer, amolecer ou fundir material. Os exemplos incluem incineradores, fornos de vidro (nos quais um material sólido de fabricação de vidro é fundido), fornos de reaquecimento de aço, fornos de arco elétrico de produção de aço, fornos para produção de cimento, e similares. A invenção será descrita com detalhes a seguir, com referência aos desenhos.

[0017] A Figura 1 mostra a extremidade a jusante de um aparelho de queimador da presente invenção, incluindo a extremidade a jusante 2 do queimador 1 e a extremidade a jusante 3 do compartimento 4. Os termos "a jusante" e "a montante" são usados para propósitos de referência para descrever locais relativos de componentes do aparelho de queimador, sem implicar que o fluido está necessariamente fluindo no aparelho. A passagem central 5 é aberta na extremidade a jusante 2 do queimador 1 e se estende para dentro do corpo do queimador 1. As primeiras portas 6 e as segundas portas 7 se abrem na extremidade a jusante 2 do queimador 1. O aparelho de queimador que inclui o queimador 1 e o compartimento 4 são fabricados a partir de material que pode suportar as temperaturas encontradas na combustão de combustível em fornos, de preferência, até 500°C, como ligas de cobre.

[0018] De preferência, as portas 6 são situadas de modo substancialmente uniforme umas em relação às outras ao redor do eixo geométrico central da passagem central 5, e as portas 7 estão situadas de modo substancialmente uniforme umas em relação às outras ao redor do eixo geométrico central da passagem central 5. Com mais preferência, todas as portas 6 estão uniformemente situadas ao redor do eixo geométrico central da passagem 5 umas em relação às outras, e todas as portas 7 estão uniformemente situadas ao redor do eixo geométrico central da passagem 5 umas em relação às outras.

[0019] As portas 6 estão, de preferência, distantes de modo relativamente uniforme e, com mais preferência, estão distantes de modo substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem central 5 umas em relação às outras. As portas 7 estão, de preferência, distantes de modo relativamente uniforme e, com mais preferência, estão distantes de modo substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem central 5 umas em relação às outras. Com mais preferência ainda, todas as primeiras portas e todas as segundas portas estão distantes de modo substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem 5, considerando todas as ditas portas 6 e 7 como um grupo.

[0020] Pode haver qualquer quantidade entre 4 a 20 primeiras portas, de preferência, de 8 a 14. Pode haver qualquer quantidade entre 4 a 20 segundas portas, de preferência, de 8 a 14. A Figura 1 mostra uma disposição preferencial de portas em que uma segunda porta está situada entre cada par de primeiras portas. Também são preferenciais as disposições em que todas as primeiras portas estão à mesma distância do eixo geométrico central da passagem central 5 umas em relação às outras, e todas as segundas portas estão à mesma distância do eixo geométrico central da passagem central 5 umas em relação às outras. São também preferenciais as disposições em que os centros de todas as primeiras portas e os centros de todas as segundas portas estão todos à mesma distância do eixo geométrico central da passagem 5. Essa disposição é mostrada na Figura 1. Os eixos geométricos das primeiras e das segundas portas devem ser orientados de modo que o gás flua para fora das portas para a zona de combustão 23, de preferência, paralelamente ao eixo geométrico da passagem central 5 ou em um ângulo de até 10 graus ou mesmo de até 45 graus em relação ao eixo geométrico da passagem central 5.

[0021] As únicas aberturas ou espaços a partir dos quais o fluido (isto é, gás, líquido, sólidos, e quaisquer combinações dos mesmos) pode passar do aparelho de queimador da presente invenção para a zona de combustão 23 são a passagem central 5, as primeiras portas 6 e as segundas portas 7. Ou seja, não há outro vão ou abertura entre a superfície externa do queimador 1 e a superfície interna do compartimento 4.

[0022] Agora com referência às Figuras 2A e 2B, o aparelho de queimador da presente invenção é mostrado instalado através da parede 21 de um forno, de modo que possa fornecer combustível e oxidante à zona de combustão 23 onde eles são comburidos. O combustível é fornecido em uma ou mais entradas 16 para dentro e através das passagens 26 no corpo do queimador 1, para as primeiras portas 6. O oxidante é fornecido à entrada 31 e passa para dentro da cavidade fluida 35, conforme descrito abaixo, e segue para dentro da passagem 5 e, então, para fora da passagem 5 e para a zona de combustão 23. O oxidante estabilizante é fornecido em uma ou mais entradas 17 para dentro e através das passagens 27 no corpo do queimador 1, para as segundas portas 7. O compartimento 4 se estende além da extremidade do queimador 1 por uma distância L que é pelo menos 25% do diâmetro W através da abertura definida pela extremidade a jusante do compartimento 4.

[0023] Um agente refrigerante, como água, circula dentro e fora das aberturas 25 e através das passagens de agente refrigerante 24 que estão presentes pelo menos na porção do compartimento 4 que se estende na direção a jusante além da extremidade a jusante do queimador 1. As passagens de agente refrigerante 24 devem, de preferência, ser distribuídas uniformemente ao longo de pelo menos aquela porção do compartimento 4, para proporcionar uma absorção de calor mais uniforme. A combinação de recursos nesta invenção possibilita a operação de combustão sem que sejam geradas temperaturas excessivamente altas na extremidade a jusante do queimador 1. De preferência, o agente refrigerante circula através das passagens para agente refrigerante 24 a uma vazão que mantém a temperatura abaixo de 400°F na face anterior do queimador.

[0024] O combustível pode ser qualquer fluido passível de combustão. Exemplos de combustíveis preferenciais incluem metano e gás natural. Outros exemplos incluem gás de forno de coque, gás de síntese e óleo combustível atomizado com um gás como ar ou nitrogênio. O oxidante deve ser gasoso e pode ter qualquer concentração de oxigênio que varia desde a concentração do ar até aquela do oxigênio tecnicamente puro com uma concentração de oxigênio igual ou superior a 99,5%. A invenção terá utilidade específica com um oxidante que tem uma concentração de oxigênio de pelo menos 30 por cento.

[0025] O gás de direcionamento é fornecido em 41 e passa através de válvulas (representadas por 49) e, então, para duas ou mais linhas de alimentação (duas das quais são mostradas como 42 e 43) cujas saídas (44 e 45, respectivamente) transportam o gás de direcionamento para a cavidade fluida 35. O gás de direcionamento é fornecido na linha de alimentação 42 ou na linha de alimentação 43, ou em quaisquer outras linhas de alimentação, se houver mais de duas, ou seu fluxo é cessado completamente, pela operação da válvula 45. O gás de direcionamento adequado inclui qualquer gás ou mistura de gases que não reagem com a unidade de queimador ou com o forno. Exemplos preferenciais incluem nitrogênio, argônio e oxigênio, e misturas de quaisquer dois ou todos os três, incluindo ar e ar enriquecido com oxigênio. O oxigênio é particularmente preferencial uma vez que um suprimento de oxigênio já estará presente para uso com esse queimador, e porque o oxigênio pode participar da combustão na zona de combustão 23.

[0026] A Figura 3 mostra configurações alternativas da passagem central 5 e locais alternativos das saídas 44 e 45. Com referência à Figura 3, a cavidade fluida 35 compreende uma área de fluxo restrita 35 que tem uma entrada 36 e uma saída 37 que se comunica diretamente com a extremidade a montante da passagem 5. Na modalidade da Figura 3, a passagem 5 é cônica, enquanto na modalidade representada nas Figuras 2A e 2B ela é alargada. Em ambas as modalidades, a passagem 5 define uma área em seção transversal que se expande para fora na direção a jusante em direção à extremidade a jusante 2 do queimador 1.

[0027] Nas modalidades das Figuras 2A, 2B e 3, a área de fluxo restrita, que é definida pela cavidade fluida 35, tem um diâmetro D no ponto em que ela se comunica com a extremidade a montante da passagem 5. Em geral, D está na faixa de 0,125 a 1,5 polegadas e, tipicamente, D está na faixa de 0,125 a 1,0 polegadas; no entanto, o diâmetro D depende da taxa de disparo. O gás de direcionamento é fornecido à cavidade fluida 35 a partir de uma fonte 41 a uma velocidade alta, geralmente uma velocidade de ao menos 400 pés por segundo ou mesmo de ao menos 500 pés por segundo e, de preferência, a uma velocidade sônica ou maior de até cerca de 1.400 pés por segundo (ou mais, de até 1.700 pés por segundo, dependendo da velocidade sônica da corrente de oxidante usada). Em velocidades maiores que a velocidade sônica, a velocidade é a velocidade aparente do jato que é definida como a vazão volumétrica, à pressão ambiente, que sai de um orifício dividido pela área da seção transversal do orifício. O fluido de alta velocidade fornecido à cavidade fluida 35 e através da mesma fornece uma zona de pressão reduzida adjacente à superfície na extremidade a montante da passagem 5.

[0028] Tipicamente, a invenção injetará gás de direcionamento no oxidante gasoso a partir de apenas uma das saídas 44 e 45 ou ao menos duas saídas 44 e 45. Normalmente, o número de tais saídas estará dentro da faixa de 2 a 8. As saídas devem ser orientadas de modo a fornecer gás de direcionamento à cavidade fluida 35 em uma direção substancialmente perpendicular à direção de fluxo do oxidante que passa através da área de fluxo restrita, isto é, substancialmente perpendicular à linha central axial da cavidade fluida 35 que também deve ser a linha central axial da passagem central 5.

[0029] As saídas 44 e 45 (bem como quaisquer saídas de gás de direcionamento adicionais) devem ter um diâmetro d em que elas se conectam à cavidade fluida, de modo que a razão d/D esteja na faixa de 0,18 a 0,75, de preferência, de 0,18 a 0,25. Tipicamente, d está na faixa de 0,10 a 0,15 polegada ou até mesmo 0,20 polegada. Em algumas situações, pode ser preferencial que o formato da seção transversal das saídas 44 e 45 ou o ponto de comunicação entre a cavidade fluida 35 e a extremidade a montante da passagem 5 seja diferente de um formato circular. Por exemplo, o formato em seção transversal pode ser elíptico ou o formato de uma fenda retangular. Nesse caso, o diâmetro de D e/ou d é o menor das larguras que definem a abertura.

[0030] As saídas de gás de direcionamento se comunicam com a cavidade fluida 35, de modo que os centros de saída estejam em um ponto na faixa de 3 d/4 a montante a d/4 a jusante do ponto de comunicação entre a cavidade fluida 35 e a extremidade a montante da passagem 5. De preferência, essa faixa varia de d/2 a montante do ponto de comunicação até o ponto de comunicação entre a extremidade a jusante 37 da cavidade fluida 35 e a extremidade a montante da passagem 5. Com a máxima preferência, o gás de direcionamento se comunica com a cavidade fluida em um ponto cerca de d/2 a montante desse ponto de comunicação. Na modalidade ilustrada na Figura 3, esse ponto de comunicação está no ponto d/2 a montante do ponto em que a cavidade fluida se comunica com a extremidade a montante da passagem 5.

[0031] O oxidante e o combustível gasosos são fornecidos através do queimador 1, e são comburidos na zona de combustão 23. O oxidante que sai da passagem central 5 para a zona de combustão 23 contém de 50 a 95 por cento em volume (% em volume) e geralmente cerca de 60 (+/- 5)% em volume do oxigênio total que passa para a zona de combustão 23. A quantidade total de oxidante que flui para fora de todas as segundas portas 7 contém de 30 a 45% em volume e geralmente cerca de 40 (+/ -5)% em volume do oxigênio total que passa para a zona de combustão 23. Quando o gás de direcionamento é injetado, conforme descrito na presente invenção, o gás de direcionamento contém de 1 a 3% em volume (de preferência, 1,5 a 2% em volume) da quantidade de oxidante que passa da passagem central 5 para a zona de combustão 23.

[0032] A velocidade do gás (oxidante da entrada 31 mais gás de direcionamento) que sai da extremidade a jusante da passagem central 5 é geralmente de 400 a 1.700 pés por segundo (fps), de preferência, a faixa mais estreita de 900 a 1.400 fps. A velocidade do oxidante que sai das segundas portas 7 é, em geral, de 400 a 1.700 pés por segundo (fps), de preferência, a faixa mais estreita de 900 a 1.400 fps. O oxidante que sai das segundas portas 7 ajuda a estabilizar e ancorar a chama que é formada pela combustão no queimador.

[0033] O combustível sai pelas primeiras portas 6 para ser comburido na zona de combustão 23. De preferência, a velocidade do combustível que passa por cada porta é de ao menos 600 fps, o que ajuda a evitar o risco de as portas serem obstruídas por quaisquer subprodutos de coqueamento prematuro ou similares do combustível, ou por quaisquer subprodutos da combustão.

[0034] A quantidade total de oxigênio que passa para a zona de combustão 23 a partir da passagem 5 (incluindo qualquer oxidante de inclinação) e de todas as segundas portas 7 deve ser de 90% a 110% (de preferência, mais próximo a 100%) da quantidade de oxigênio necessária para comburir completamente todo o combustível que é fornecido por todas as primeiras portas 6 produzindo dióxido de carbono e água.

[0035] Um recurso desta invenção é o fornecimento de gás de direcionamento substancialmente perpendicular à linha central axial da cavidade fluida para alterar eficazmente a direção do fluxo do oxidante principal (ou seja, a corrente de oxidante que passa através da cavidade fluida e através e para fora da passagem central 5). A cavidade fluida 35 ajuda a obter a alta velocidade do oxidante que, por sua vez, causa a geração de uma zona de pressão reduzida. Em geral, o gás de direcionamento será fornecido na cavidade fluida no ponto de transição 37 ou a montante do mesmo, onde a área de fluxo restrita se comunica com a extremidade a montante da passagem central 5. Esse ponto de provisão, ao contrário de um ponto mais a jusante, possibilita uma mudança de direção de fluxo mais eficiente de um fluxo de alta velocidade sem incorrer em instabilidade.

[0036] A direção do fluxo do oxidante principal para fora da passagem central 5 é controlada pelo fluxo de gás de direcionamento através de qualquer uma das saídas de gás de direcionamento como 44, 45 mostradas nas Figuras 2A e 2B. Quando o gás de direcionamento é fornecido através de uma saída de inclinação, a corrente de oxidante principal que passa através da cavidade fluida 35 se fixa à superfície interna da passagem 5 em um ângulo de cerca de 10 graus oposto à corrente de gás de direcionamento e, seguindo essa superfície interna, sai da extremidade a jusante do queimador 1 em um ângulo de cerca de 35 a 40 graus em relação ao eixo geométrico central da passagem 5. A combinação da cavidade cônica e curva possibilita grandes ângulos de deflexão para comprimentos curtos do bocal. Com o uso dessa técnica, obtém-se a deflexão da corrente de oxidante principal até um ângulo de 90 graus em relação ao eixo geométrico central.

[0037] Quando nenhum gás de direcionamento é fornecido, o oxidante principal segue através da cavidade fluida e para dentro da zona de combustão 23 sem alteração na direção que se afasta do eixo geométrico central da passagem 5. Entretanto, quando o gás de direcionamento é fornecido para dentro da cavidade fluida através, por exemplo, da saída de gás de direcionamento 44 ou 45, o fluxo de oxidante principal muda de direção e passa para a zona de combustão 23 em uma direção que se afasta do eixo geométrico central da passagem 5. Esse fluxo de gás de direcionamento causa uma deflexão do fluxo de oxidante principal e faz com que a corrente de oxidante principal se fixe à parede da passagem 5 oposta da qual o gás de direcionamento é direcionado para o oxidante principal. Acredita-se que essa alteração na direção se deva a uma diferença de pressão causada pela aspiração assimétrica de fluido no jato de fluxo de fluido devido a sua proximidade com a parede. Um jato livre, quando desobstruído, irá arrastar o gás circundante uniformemente e se expandir simetricamente em torno de seu eixo geométrico. Entretanto, quando colocado adjacente a uma parede, o arrastamento do gás circundante é limitado pela presença da parede. Isso cria uma região de baixa pressão entre o jato e a parede que serve para empurrar o fluxo de fluido para se conformar à direção da parede. Em geral, a diferença de pressão através do jato de fluido será de cerca de 1 libra por polegada quadrada (psi) ou mais para uma mudança de direção eficaz.

[0038] A alteração de direção do fluxo da corrente de oxidante principal é ilustrada com referência à Figura 2A. Quando nenhum gás de direcionamento está sendo fornecido, a corrente de oxidante principal emerge da passagem central 5 para a zona de combustão 23 em uma direção axial, isto é, axialmente alinhada com o eixo geométrico central da passagem 5 e do queimador 1, em direção à região 23b. Quando o gás de direcionamento é fornecido à saída 44, a corrente de oxidante principal emerge da passagem 5 e para fora do queimador 1 em direção à região 23c pela ação do gás de direcionamento injetado. Quando o gás de direcionamento é fornecido à saída 45, a corrente de oxidante principal emerge da passagem 5 e para fora do queimador 1 em direção à região 23a pela ação do gás de direcionamento injetado. A direção do fluxo da corrente de oxidante principal pode ser alterada de axial para uma posição angular em relação à direção axial e, então, para um ângulo diferente ou de volta para a direção axial. As alterações podem ser intermitentes ou contínuas.

[0039] Dessa forma, a direção de fluxo da corrente de oxidante principal que flui para a zona de combustão 23 pode ser alterada sem a necessidade de ajustar o queimador ou alterar o bocal. A direção do fluxo pode ser alterada para um número de posições igual ao número de saídas de gás de direcionamento. A corrente de oxidante principal de alta velocidade, ao sair da cavidade fluida, arrasta de maneira eficaz o combustível fornecido à zona de combustão através das segundas portas 7 ou, de outro modo, disponível na zona de combustão. Dessa forma, o combustível e o oxidante fluirão na mesma direção apesar do redirecionamento do oxidante principal, e a entremistura dos mesmos durante o arrasto permite que a combustão estabilizada ocorra. A combustão é iniciada por um dispositivo de ignição adequado ou por combustão em curso no interior da zona de combustão.

[0040] Em geral, o gás de direcionamento será fornecido à cavidade fluida 35 com uma vazão de 0,5 a 3,0 por cento, ou até mesmo de 4,0 por cento, daquela da corrente de oxidante principal. A velocidade da corrente de oxidante principal pode ser muito alta enquanto ainda alcança uma mudança eficaz de direção. Uma mudança eficaz é obtida quando o oxidante principal tem uma velocidade aparente tão alta quanto 1.400 ou mesmo 1.700 pés por segundo (fps) através da cavidade fluida.

[0041] Para se obter uma mudança direcional eficaz, o comprimento da passagem central 5 a partir do ponto de sua comunicação com a cavidade fluida até sua extremidade a jusante precisa ser suficiente para se obter o diferencial de pressão necessário. Embora o comprimento mínimo eficaz varie dependendo dos fatores de velocidade e configuração, descobriu-se que um comprimento de passagem central de pelo menos 2 D e de preferência pelo menos 3 D é suficiente para gerar o diferencial de pressão necessário e, de preferência, esse comprimento está dentro da faixa de 2,5 D a 9 D.

[0042] A invenção terá eficácia aumentada quando o ângulo entre a superfície interna da passagem 5 e o eixo geométrico central da passagem 5 estiver dentro da faixa de 10 a 30 graus. Quando a passagem 5 compreende superfícies que formam mais de um ângulo com o eixo geométrico central, o ângulo relevante mencionado acima é o ângulo inicial na extremidade a montante da passagem 5.

Exemplos

[0043] Para os propósitos da presente invenção, foram construídos e testados queimadores conforme aqui descritos. Um queimador tinha uma taxa de disparo nominal de projeto de 3 MW e o outro tinha uma taxa de disparo nominal de 5 MW. As dimensões relevantes de cada um desses queimadores são apresentadas na tabela a seguir: *-O comprimento da passagem central é medido a partir do ponto de comunicação da passagem central com a cavidade fluida até a extremidade a jusante da passagem central.

[0044] Os queimadores foram operados nas condições que são apresentadas na tabela a seguir:

[0045] Esses queimadores podem ser operados em suas taxas de disparo nominal de projeto e em taxas de disparo diferentes da taxa de projeto. Por exemplo, o queimador de 3 MW pode ser operado a 1 MW e também a 2 MW. Foi observada uma deflexão considerável do fluxo em cada queimador. A velocidade do fluxo de inclinação tem por base o diâmetro do orifício de inclinação.

Claims (11)

1. Aparelho de queimador, compreendendo (A) um corpo do queimador que tem: uma passagem central (5) dentro do corpo do queimador que tem uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante axialmente oposta que se abre em uma extremidade a jusante (2) do queimador (1), sendo que o diâmetro em seção transversal da passagem central aumenta na direção da extremidade a jusante; uma pluralidade de primeiras portas (6) na extremidade a jusante (2) do queimador (1) que estão localizadas de modo substancialmente uniforme ao redor da extremidade a jusante da passagem central (5), sendo que as primeiras portas (6) são conectadas por primeiras passagens (26) dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas (16) através das quais um primeiro fluido pode ser fornecido, e uma pluralidade de segundas portas (7) na extremidade a jusante (2) do queimador (1) que estão localizadas de modo substancialmente uniforme ao redor da extremidade a jusante da passagem central (5), sendo que as segundas portas (7) são conectadas por segundas passagens (27) dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas (17) através das quais um segundo fluido pode ser fornecido, sendo que as primeiras e as segundas passagens são separadas umas das outras; sendo que as primeiras portas (6) e as segundas portas (7) estão distantes de modo substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem central (5); e os eixos geométricos da pluralidade das primeiras (6) e da pluralidade das segundas portas (7) são orientados de modo que o gás flua para fora das portas paralelamente ao eixo geométrico da passagem central (5) ou em um ângulo de até 10 graus ou mesmo de até 45 graus em relação ao eixo geométrico da passagem central (5); e sendo que a passagem central (5), as primeiras portas (6) e as segundas portas (7) são as únicas aberturas no aparelho de queimador através das quais o fluido pode fluir para fora da extremidade a jusante do aparelho de queimador; (B) uma cavidade fluida (35) que se comunica em sua extremidade a jusante com a extremidade a montante da passagem central (5) do queimador, sendo que a dita cavidade fluida (35) tem um diâmetro D no ponto de comunicação entre a cavidade fluida e a extremidade a montante da passagem central do queimador suficiente para permitir que o fluido que passa através do mesmo tenha uma velocidade supersônica, sendo que a dita passagem central tem um comprimento do dito ponto de comunicação até sua extremidade a jusante de 2 D a 9 D; e (C) um compartimento (4) que circunda a extremidade a jusante (2) do queimador (1) e que é aberto na extremidade do compartimento que circunda a extremidade a jusante do queimador, sendo que a extremidade aberta (3) do compartimento (4) está situada a uma distância L a jusante da extremidade a jusante (2) do queimador (1), sendo que L é pelo menos 25% da distância através da extremidade aberta do compartimento; caracterizado pelo fato de que o aparelho de queimador compreende adicionalmente uma pluralidade de passagens de gás de direcionamento (42, 43) tendo saídas de gás de direcionamento (44, 45) através das quais o gás de direcionamento pode ser fornecido à cavidade fluida (35) em uma direção substancialmente perpendicular à linha central axial da cavidade fluida, sendo que as ditas saídas de gás de direcionamento (44, 45) têm um diâmetro d, de modo que d/D esteja na faixa de 0,18 a 0,75, sendo que as ditas passagens (42, 43) se comunicam com a cavidade fluida de modo que os centros das saídas de gás de direcionamento (44, 45) estão em um ponto na faixa de d/2 a montante do ponto de comunicação entre a cavidade fluida (35) e a extremidade a montante da passagem central a aquele ponto de comunicação, sendo que D e d são expressados nas mesmas unidades; a porção do compartimento (4) que se estende a jusante da extremidade a jusante (2) do queimador (1) compreendendo passagens (24) em seu interior através das quais um agente refrigerante pode fluir para absorver o calor gerado pela combustão que ocorre no queimador. a passagem central (5) tendo uma superfície interna que é curva ou cônica, em que o diâmetro em seção transversal da passagem central aumenta de modo que na extremidade a jusante (2) do queimador (1), o diâmetro da passagem central (5) corresponde ao diâmetro interno do compartimento (4); e a pluralidade das primeiras portas (6) e a pluralidade das segundas portas (7) estão localizadas na superfície interna da passagem central (5).

2. Aparelho de queimador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita passagem central (5) tem um comprimento do dito ponto de comunicação até sua extremidade a jusante de 3 D a 9 D.

3. Aparelho de queimador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as saídas de gás de direcionamento (44, 45) são posicionadas para fornecer gás de direcionamento à cavidade fluida (35) no ponto de comunicação, ou a montante do mesmo, entre a cavidade fluida e a extremidade a montante da passagem central (5).

4. Aparelho de queimador de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o número de saídas de gás de direcionamento (44, 45) é de 2 a 8.

5. Aparelho de queimador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que d/D está dentro de 0,18 a 0,25.

6. Aparelho de queimador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a superfície da passagem central (5) forma um ângulo de 10 a 30 graus com seu eixo geométrico central.

7. Método de combustão, caracterizado pelo fato de que compreende: (A) fornecer o combustível para fora da extremidade a jusante de um queimador (1) como definido na reivindicação 1, através das primeiras portas (6) do queimador; (B) fornecer o oxidante gasoso para fora da extremidade a jusante do queimador (1) através das segundas portas (7) do queimador; (C) fornecer o oxidante gasoso através da cavidade fluida (35) do queimador (1) supracitado e através e para fora da extremidade a jusante da passagem central do queimador (1), sendo que o oxidante gasoso flui através da cavidade fluida a uma velocidade de ao menos 121,9 m/s (400 pés por segundo) para estabelecer uma zona de pressão reduzida adjacente a uma porção da superfície da passagem central; (D) comburir o combustível e o oxidante gasoso; e (E) periódica ou continuamente, injetar uma corrente de gás de direcionamento que tem um diâmetro d na cavidade fluida (35) em uma direção substancialmente perpendicular à direção de fluxo do oxidante gasoso que passa através da cavidade fluida em um ponto dentro da faixa de d/2 a montante do ponto de comunicação entre a cavidade fluida e a passagem central (5) a aquele ponto de comunicação, sendo que D e d são medidos nas mesmas unidades, alterando, assim, a direção do fluxo do oxidante gasoso que sai da extremidade a jusante da passagem central.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a vazão do gás de direcionamento é de 0,5 a 4,0 por cento da vazão do oxidante através da passagem central (5).

9. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o oxidante gasoso flui através da cavidade fluida (35) a uma velocidade de ao menos 152,4 m/s (500 pés por segundo) para estabelecer uma zona de pressão reduzida adjacente a uma porção da superfície da passagem central (5).

10. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 9, caracterizado pelo fato de que o gás de direcionamento compreende oxigênio.

11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a vazão do gás de direcionamento é de 0,5 a 3,0 por cento da vazão do oxidante através da passagem central (5).