BR112019015946A2

BR112019015946A2 - Método para aumentar a eficiência de sistemas de combustão contínua

Info

Publication number: BR112019015946A2
Application number: BR112019015946-0A
Authority: BR
Inventors: Diogo Quintão Duarte Silva Francisco; Eduardo De Meneses Moutinho E Henriques Gonçalo Paulo; Carlos Moura Bordado João
Original assignee: Utis - Ultimate Technology To Industrial Savings, Lda
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2020-03-24
Also published as: PT109894A; US20200032152A1; AU2017396557A1; JP2020510804A; WO2018142191A1; HRP20231359T1; CO2019008631A2; RU2738747C1; KR102513495B1; US11124719B2; JP6912587B2; KR20190108589A; EP3578792C0; EP3578792A1; CA3051980A1; MX2019008825A; EP3578792B1; HUE064296T2; AU2017396557B2; PL3578792T3

Abstract

método para aumentar a eficiência de sistemas combustão contínua a presente invenção diz respeito a um método para a optimização de sistemas de combustão contínua, que reduz o consumo de combustível, as emissões de gases de escape e material particulado. o princípio de funcionamento baseia-se na introdução de pequenas quantidades de hidrogênio na conduta de admissão de combustível do sistema, ou preferencialmente ao longo da câmara de queima contínua, com o objetivo de otimizar a queima dos combustíveis tradicionais, melhorando os parâmetros da reação de combustão, os efeitos do processo em questão aumentará a temperatura das paredes da câmara, assegurando reignição e combustão mais completa, permitindo assim reduzir a alimentação de combustível. esta combustão otimizada irá aumentar a eficiência da combustão e reduzir o seu impacto ambiental.

Description

MÉTODO PARA AUMENTAR A EFICIÊNCIA DE SISTEMAS DE COMBUSTÃO CONTÍNUA

Enquadramento da invenção [01] A presente invenção enquadra-se nos processos de combustão de queima contínua, seja esta realizada em motores, câmaras ou mesmo fomos industriais convencionais.

[02] Importa referir que o processo de combustão envolve um conjunto de reações de mecanismo radicalar, isto é com espécies propagantes designadas por radicais livres, que ocorrem simultaneamente, e de uma forma genérica a combustão será tanto mais completa quanto mais elevado for o teor médio de radicais livres presentes. É bem conhecido que os combustíveis gasosos, ou facilmente vaporizáveis combustionam facilmente, com excessos estequiométricos de ar moderados, mas que para combustíveis sólidos, ainda que pulverizados se toma necessário operar com excessos de ar mais elevados.

[03] A combustão de hidrogênio em O₂ ocorre de forma muito rápida, num processo muito exotérmico e auto acelerado que se traduz macroscopicamente numa explosão, o mesmo ocorrendo em ar (cerca de 21% de O₂). A velocidade de onda de propagação das explosões de hidrogênio é muito superior à velocidade de explosão dos combustíveis correntes, permitindo assegurar elevadas concentrações de radicais, que asseguram uma combustão mais completa dos outros combustíveis presentes.

[04] Esta combustão mais completa é evidenciada pela redução dos teores de hidrocarbonetos no efluente gasoso, bem como a redução do teor de monóxido de carbono. Os teores de NO₂ são variáveis e dependem mais de uma série de fatores, como a natureza de

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2/11 combustível utilizado, a geometria do forno, e em especial da presença de “hot spots” resultantes de arejamento preferencial.

[05] Especificando o caso dos fomos industriais convencionais, sabese que a mistura de matérias-primas, previamente moídas, é alimentada, frequentemente em contra corrente com os gases efluentes do forno num sistema que permite o pré-aquecimento de alimentação, mas que permite igualmente reduzir significativamente os teores de alguns dos contaminantes de efluente gasoso. No forno tubular revestido interiormente por camadas de refratário, o tempo médio de residência dos gases é muito inferior ao tempo médio de residência de material particulado.

[06] Num balanço térmico do forno tem que ser ponderados os processos endotérmicos, em especial a descarbonatação e os calores latentes de fusão das fases em “melt”, bem como as perdas térmicas de diferente natureza, muito em especial nas áreas menos isoladas dos multiciclones.

[07] A presente invenção vem introduzir no processo de combustão de queima contínua, quantidades ínfimas de hidrogênio (ou na mistura HHO que se forma inicialmente) na zona da queima contínua de combustível, trazendo para o estado da técnica um efeito técnico inesperado de redução do consumo de combustível, e consistentemente das emissões.

[08] Estado da técnica da invenção [09] Existe no estado da técnica atual a utilização de hidrogênio em processos de otimização de motores de combustão interna, podemos destacar o pedido de patente PCT/PT2015/000043, que se refere a um método para aumentar a eficiência de motores de combustão interna, sendo que o hidrogênio neste processo age não como

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3/11 combustível, mas sim como um optimizador de parâmetros de combustão sob a forma de comburente alimentado em conjunto com o ar ao motor.

[010] Podemos ainda referir os seguintes documentos, como sendo o estado da técnica mais próximo da invenção:

• “Experimental and Numerical of the effects of hydrogen addition on the structure of laminar methane-nitrogen’s jet in hot coflow under MILD conditions”, International Journal of Hydrogen Energy 38, 13802-13811 (2013), A.Sepman et al.- divulga uma combustão em condições MILD, isto é em condições de fluxo laminar com diluição de oxigênio. É referido no documento que se consegue nas referidas condições “MILD” a combustão sem chama, que na terminologia inglesa é designada por “flameless combustion” e em português será de designar “sem chama” ou simplesmente por incandescente. A presente invenção difere deste documento, uma vez que opera em condições drasticamente diferentes, com o excesso convencional de Ar, e com queimadores convencionais de fornos contínuos, por exemplo fornos de produção de cimento. Também quanto aos teores de hidrogênio utilizado as condições são drasticamente diferentes já que, quer na parte experimental do documento, quer na pág. 13804, se mostra que o hidrogênio está a ser utilizado como um combustível, e em condições em que é possível considerar a estequiometria (p.ex. a reação R3 explicitada na referida página). Na presente invenção os

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4/11 teores de hidrogênio são dezenas de vezes inferiores, peio que os resultados obtidos são de facto inesperados e só poderão ser explicados por uma maior rapidez de propagação de chama;

® GB 2089964 A - divulga um processo de combustão que utiliza um queimador com injeção contínua ou pulsada, e com formação de plasma na câmara de combustão, diferindo portanto da presente invenção uma vez que esta utiliza um queimador convencional, para provocar uma chama convencional, e em separado ao longo do forno se faz a introdução do hidrogênio em quantidades vestigiais (muito longe da estequiometria);

[011] A presente invenção difere do estado da técnica enunciado uma vez que diz respeito à introdução de pequenas quantidades de hidrogênio na zona da queima contínua de combustível, a qual irá aumentar a eficiência da combustão contínua permitindo reduzir o seu impacto ambiental. O hidrogênio é produzido através de uma reação de eletrólise numa célula eletroquímica.

Descrição detalhada da invenção [012] O processo para aumentar a eficiência de combustão contínua objeto da presente invenção é não estequiométrico, e ocorre preferencialmente em forno contínuo. Neste processo o hidrogênio é utilizado como agente de re-ignição para promover uma combustão mais completa do combustível principal, e, o hidrogênio, é introduzido no ar de alimentação da câmara de queima contínua, em diversos pontos possíveis, criteriosamente escolhidos do forno de combustão, em especial em pontos onde se verifica a ocorrência de transporte pneumático de partículas apenas incandescentes.

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5/11 [013] Há assim que definir para o método objeto da presente invenção as seguintes características:

- pontos/entradas de hidrogênio na câmara onde se realiza a queima, por onde é introduzido o hidrogênio;

- como é introduzido esse mesmo hidrogênio: pressão e frequência;

- Gama de proporções de hidrogênio.

[014] A localização das entradas de hidrogênio pode ser feita em diversos pontos, podendo ser feita no ar de transporte de combustível na sua forma mais simples, ou preferencialmente em pontos em que o perfil de temperaturas em estado quasi estacionário, permita auto inflamação imediata do hidrogênio para assegurar ausência de acumulação. Este perfil de temperaturas pode ser determinado recorrendo a pirómetros óticos, ou por medida da temperatura da superfície externa do forno ao longo do respetivo comprimento, e derivado por cálculo que faz intervir as condutibilidades e a dissipação radiativa.

[015] Preferencialmente, os pontos de entrada de hidrogênio localizam-se ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio interno do corpo do forno (r), mas inferiores a metade do comprimento. Ainda numa outra forma preferencial os pontos de entrada de hidrogênio localizam-se ao longo do comprimento do reator a distâncias ao raio interno do corpo do forno (r) entre 2r e 16r e entre 2r e 6r.

[016] A secção reta do forno é elíptica, quadrada, retangular ou trapezoidal e os pontos de entrada de hidrogênio localizam-se ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio

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6/11 hidráulico definido de forma habitual, para o cálculo de número de Reynolds e determinação subsequente do coeficiente do atrito.

[017] O número de Reynolds é um parâmetro adimensional que assume especial importância na mecânica de fluidos sendo calculado pela seguinte fórmula:

Re = u.ro.d/miu, onde:

U - é a velocidade média do fluido;

Ro - é a densidade do fluido;

d- é um parâmetro linear característico;

miu ··· é a viscosidade média do fluido.

[018] A alimentação de hidrogênio pode ser feita de forma contínua nos pontos de injecção escolhidos, ou de forma descontínua, de forma a reduzir a quantidade necessária de hidrogênio, sendo que o resultado final é semelhante. Entenda-se que a forma descontínua pode ser realizada de forma pulsada. Assim, a admissão de hidrogênio é feita de forma preferencialmente descontínua num ou mais pontos por meio de tubagens equipadas com válvula antirretorno, bem como sistema de doseamento e interrupção. Esta alimentação tem de ser feita sempre a pressões superiores á pressão máxima reinante dentro da camara de combustão.

[019] Clarifique-se que no caso de a alimentação ser pulsada, o período entre impulsos de injecção de hidrogênio é inferior ao tempo médio de residência do material sólido no forno, mas superior ao tempo de propagação da deflagração de hidrogênio até atingir a extremidade mais longínqua do forno, existindo desta forma ausência de slmultaneidade para prevenir a ocorrência de harmônicas de ressonância.

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7/11 [020] As condições operatórias em termos da corrente gasosa de forno, correspondem a um número de Reynolds superior a 1000, mas inferiores a 10 elevado a 8, e os pontos de entrada de hidrogênio localizam ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio hidráulico definido de forma habitual, mas sempre a distâncias entre si superiores ao raio hidráulico definido de forma habitual, para o cálculo de número de Reynolds e determinação subsequente do coeficiente do atrito. Preferencialmente as condições operatórias em termos da corrente gasosa de forno correspondem a um número de Reynolds entre 10000 e 10 elevado a 7, Isto é sempre em condições movimento turbulento, e os pontos de entrada de hidrogênio localizam ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio hidráulico definido de forma habitual, para o cálculo de número de Reynolds e determinação subsequente do coeficiente do atrito.

[021] A quantidade de hidrogênio a introduzir no processo de combustão é, relativamente à do combustível principal, entre 0,0001% e 1%, preferenclalmente entre 0,001 e 0,1% (v/V) do volume total de gases. Acrescenta-se que o controlo da introdução de hidrogênio é feito em cascata e a partir do teor de compostos orgânicos voláteis e de teor de monóxido de carbono, medidos de forma contínua na mistura gasosa efluente do forno, para assegurar combustão tão completa quanto possível.

Ensaios de realização da invenção [022] Ensaios preliminares realizados em forno piloto permitiram manter um perfil de temperaturas muito semelhante ao habitual, com reduções médias de alimentação de combustível da ordem dos 5% utilizando mistura HHO injetada na corrente de ar secundário. A mais completa combustão do Carvão Residual de Petróleos, é evidenciada

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8/11 pela redução significativa das emissões de COV (Componentes Orgânicos Voláteis) bem como redução do teor de monóxido de carbono.

[023] Para realização dos ensaios foi utilizado um forno tubular de laboratório, com um diâmetro de 5cm e comprimento de 80 cm, equipado com um queimador convencional “air less” (apenas ar secundário) e a funcionar com Thin Fuel Oil (TFO) foi estabilizada a temperatura de 1100°c, tendo o excesso de ar secundário sido regulado por minimização de sinal no opacimetro de saída. Após estabilização foram efetuadas medidas de compostos orgânicos voláteis totais (GOV’S) nos gases efluentes, bem como registado o valor lido no opacimetro (por exemplo: COV 720 ppm;

OPACIMETRO 4.3 UVO). Todos os ensaios foram realizados em condições estabilizadas de queima e de temperatura de forno, tendo sido efectuadas cinco repetições em cada ensaio, para permitir ajuizar de reprodutibilidade, tendo sido registadas na tabela seguinte as variações médias observadas.

[024] Nos orifícios de inspecção, espaçados de 10cm foram ligados tubos metálicos de 1mm de diâmetro com válvula antirretorno, para permitir a introdução de caudais de mistura gasosa contendo hidrogênio produzido por electrólise.

[0251 ENSAIO 1 (BRANCO) - Neste ensaio foram medidas as concentrações de óxidos de azoto (NOx), compostos orgânicos voláteis totais (VOC’S) e monóxido de carbono no efluente gasoso de forno, tendo havido o cuidado de apenas registar valores após se confirmarem condições estabilizadas, isto é após o transiente de arranque. Neste ensaio em branco não foi feita introdução de hidrogênio.

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9/11 [026] ENSAIO 2 - Ensaio realizado em condições idênticas ao ensaio 1, mas com introdução contínua de H2 num teor correspondente a 0,01% (V/V) relatívamente ao caudal de gás.

[027] ENSAIO 3 - Ensaio realizado em condições idênticas ao ensaio 1, com caudal total de H2 idêntico ao do ensaio 2, mas com a introdução de H2 de forma pulsada, com frequência de um segundo, isto é 1 segundo de injecção e 1 segundo de interrupção e assim sucessivamente, utilizando uma válvula rotativa idêntica às de injecção em cromatografia preparativa.

[028] ENSAIO 4 - Ensaio em tudo análogo ao ensaio 2 mas em que o teor de Hidrogênio injectado foi de 0,001% (V/V) isto é dez vezes inferior.

Γ0291 ENSAIO 5 - Ensaio em tudo análogo ao ensaio 3, mas com um teor total de azoto de 0,001% (V/V) para permitir comparar directamente com o ensaio 4.

Número de Ensaio	0%H2 (V/V) no caudal Total	Contínuo (C) ou Pulsado (P)	Variações Observadas ao longo do tempo (média de 5 determinações)
NOx	COV’S	CO
1	-	-	±4%	±8%	±6%
2	0,01%	C	- 14%	- 74%	- 52%
3	0,01%	P	-8%	- 79%	- 67%
4	0,001%	C	-21%	- 63%	- 44%
5	0,001%	P	- 13%	- 66%	- 48%

Tabela 1 -- Resultados dos ensaios [030] Os resultados obtidos parecem indicar uma melhor eficiência na redução dos COV’S e CO de injeção pulsada de hidrogênio, mas pelo

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10/11 contrário uma redução mais significativa de redução de NOx na introdução contínua de hidrogênio.

[031] De notar que todas as quantidades de H₂ introduzidas são vestigiais e estão muito afastadas das condições de combustão estequiométrica. As variações de teores de poluentes observadas são assim surpreendentes, e muito difíceis de explicar.

[032] Tudo o que foi encontrado na literatura relativamente à introdução de H2 em sistemas de queima utiliza teores de H2 muito superiores, centenas de vezes, não sendo razoável fazer analogias, ou em termos de mecanismos considerar aplicabilidade já que as reacções de combustão em fase gasosa tem o passo Hmitante de cinética de segunda ordem pelo que a velocidade varia com o quadrado de concentração. É assim surpreendente que as quantidades ínfimas de hidrogênio utilizadas consigam desencadear re-ignição tornando mais completa a combustão do combustível principal.

[033] Os volumes registados em meia hora de funcionamento foram corrigidos com valores tabelados de solubilidade em água, admitida em condições de saturação dentro de proveta de medida.

[034] A utilização de válvula rotativa que permite a introdução de H2 de forma pulsada induz um aumento de pressão no tubo de borracha, e consequentemente dentro da célula eletrolítica. Foram assim repetidos os ensaios de verificação de caudais no sistema de proveta invertida em tina de água. Constatou-se que a pequena diferença observada (inferior a 1%) estará dentro do erro experimentado método utilizado, pelo que é de concluir que a pequena diferença de pressão induzida pela válvula não tem influência significativa no caudal médio da corrente gasosa com H2.

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11/11 [035] Na montagem laboratorial utilizada não é fácil quantificar a redução de consumo de combustível. No entanto, no conjunto de 25 ensaios (1 a 5 com 5 repetições) foi sempre necessário actuar sobre a válvula de agulha do queimador para reduzir o caudal de combustível de forma a manter a mesma temperatura média de forno. Esta redução foi feita sempre iterativamente já que a velocidade de resposta de temperatura média não é imediata sendo necessário esperar pelo menos 3 minutos para assegurar estabilização.

[036] Nos ensaios realizados com teores muito inferiores de H₂(0,0001% e 0,00001%) não foi observada variação de temperatura de forno pelo que é de presumir que o efeito na eficácia de combustão já não é nestes casos observável com o equipamento de medida instalado.

Claims

REIVINDICAÇÕES:

1. Método para aumentar a eficiência de sistemas de combustão contínua caracterizado por ser não estequiométrico e por:

a) Introdução de uma quantidade de hidrogênio, relativamente à do combustível principal, entre 0,0001% e 1% do volume total de gases;

b) o controlo da introdução de hidrogênio é feito em cascata e a partir do teor de compostos orgânicos voláteis e de teor de monóxido de carbono, medidos de forma contínua na mistura gasosa efluente.
2. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a quantidade de hidrogênio a introduzir ser entre 0,001 e 0,1% (v/V) do volume total de gases.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ocorrer em forno contínuo.
4. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por os pontos de entrada de hidrogênio na câmara de queima contínua serem:

a) no ar de transporte de combustível; ou

b) em que o perfil de temperaturas em estado quasi estacionário, auto inflame imediata o hidrogênio; ou

c) pontos onde se verifica a ocorrência de transporte pneumático de partículas apenas incandescentes.
5. Método, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por onde admissão de hidrogênio poderá ser feita de forma descontínua, num ou mais pontos de entrada da câmara de queima contínua, por meio de tubagens equipadas com válvula antirretorno, bem como sistema de doseamento e

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2/3 interrupção, a pressões superiores à pressão máxima dentro da camara de combustão.
6. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por o perfil de temperaturas ser determinado por pirómetros óticos, ou por medida da temperatura da superfície externa do forno ao longo do respetivo comprimento, e derivado por cálculo que faz intervir as condutibilidades e a dissipação radiativa.
7. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por os pontos de entrada de hidrogênio localizamse ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio interno do corpo do forno (r), mas inferiores a metade do comprimento.
8. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por os pontos de entrada de hidrogênio se localizarem ao longo do comprimento do reator a distâncias ao raio interno do corpo do forno (r) entre 2r e 16r e entre 2r e 6r.
9. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por a secção reta do forno ser elíptica, quadrada, retangular ou trapezoidal e os pontos de entrada de hidrogênio se localizarem ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio hidráulico, para o cálculo de número de Reynolds e determinação subsequente do coeficiente do atrito.
10. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por a alimentação de hidrogênio ser feita de forma pulsada com um período entre impulsos de injeção de hidrogênio inferior ao tempo médio de residência do material sólido no forno,

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3/3 mas superior ao tempo de propagação da deflagração de hidrogênio até atingir a extremidade mais longínqua do forno.
11. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por as condições operatórias em termos da corrente gasosa de forno, corresponderem a um número de Reynolds superior a 1000, mas inferiores a 10 elevado a 8, e os pontos de entrada de hidrogênio localizam ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio hidráulico, mas sempre a distâncias entre si superiores ao raio hidráulico, para o cálculo de número de Reynolds e determinação subsequente do coeficiente do atrito.
12. Método de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por as condições operatórias em termos da corrente gasosa de forno correspondem a um número de Reynolds entre 10000 e 10 elevado a 7, e os pontos de entrada de hidrogênio localizam ao longo do comprimento do reator a distâncias superiores ao raio hidráulico, para o cálculo de número de Reynolds e determinação subsequente do coeficiente do atrito.