BR112019025315A2

BR112019025315A2 - Cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador

Info

Publication number: BR112019025315A2
Application number: BR112019025315-7A
Authority: BR
Inventors: J. Beard Justin; Justin J. Beard; Corbett Edward; Edward Corbett; P. Sondervan Joachim; Joachim P. Sondervan; B. Vanderpool Joseph; Joseph B. Vanderpool
Original assignee: Webster Combustion Technology Llc
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2020-06-23
Also published as: KR102336283B1; CN110998184A; CA3063599A1; MX2019014417A; EP3638950A1; WO2018231979A1; EP3638950A4; CN110998184B; US20180363898A1; KR20200007008A; JP6924282B2; JP2020523547A; CA3063599C; US10982846B2

Abstract

Uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, incluindo: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama incluindo uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora incluindo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro de extensão preso à superfície exterior da cabeça de retenção de chama.

Description

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CABEÇA DE COMBUSTÃO DE RECIRCULAÇÃO EM VÓRTICE PARA

UM QUEIMADOR Campo da invenção

[001] A presente descrição refere-se no geral a uma cabeça de queimador de combustão e, mais especificamente, a uma cabeça de queimador de combustão de recirculação em vórtice que gera baixas concentrações de emissões de monóxido de carbono e óxido de nitrogênio. Fundamentos

[002] Um problema comum associado com a queima de combustíveis fósseis é a geração e emissão de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio (NOx). Em caldeiras acesas com gás e óleo, combustível e ar são misturados em um queimador e um dispositivo de ignição é provido para inflamar a mistura em uma câmara de combustão. Calor é gerado dentro da câmara de combustão e transferido por um trocador de calor. Gases de combustão são liberados de uma pilha do trocador de calor e podem ser recirculados ao processo de combustão para reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio. Um processo como esse é conhecido como recirculação de gás de combustão (FGR). A recirculação de gás de combustão (FGR) baixa a temperatura da chama e, portanto, reduz a quantidade de emissões térmicas de NOx. A recirculação de gás de combustão (FGR) também tem o papel de minimizar os níveis de monóxido de carbono (CO).

[003] Outros processos, tais como pré-mistura pobre em combustível do oxidante e o combustível, distribuição de ar e distribuição de combustível são também usados para reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio. A distribuição de combustível envolve a queima de uma quantidade pequena de uma corrente de combustível primária como uma fonte de ignição para uma corrente de combustível secundária. A distribuição de combustível reduz a temperatura na câmara principal, reduzindo, assim, a quantidade de emissões de óxido de nitrogênio térmico.

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[004] Os regulamentos atuais exigem níveis de NOx de um dígito, por exemplo, abaixo de 9 partes por milhão (ppm) e abaixo de 5 ppm. Infelizmente, conforme os níveis de NOx diminuem, a estabilidade da chama também diminui. A localização e a fixação da chama são importantes quando se lida com a estabilidade da chama. Por exemplo, é desejável localizar a chama o mais próximo possível ao queimador para maximizar a área de caldeira efetiva. Adicionalmente, é desejável que a chama se mova o mínimo possível enquanto modula para alcançar o máximo desempenho. Embora outros tenham tentado reduzir a quantidade de emissões nocivas de CO e NOx em queimadores de combustão, são necessários melhoramentos para reduzir ainda mais a quantidade de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio gerados e emitidos enquanto se mantém a estabilidade da chama. Sumário da invenção

[005] A presente descrição é dirigida a uma cabeça de combustão inventiva para operar um queimador de combustão de modo que concentrações reduzidas de monóxido de carbono e óxido de nitrogênio sejam emitidas e a estabilidade da chama seja mantida. A cabeça de combustão inclui uma placa difusora com uma pluralidade de aletas para prover um vórtice e giro uniforme. A cabeça de combustão também inclui um anel preso a uma superfície exterior do difusor para ajudar a estabilizar o vórtice. O sistema pode também incluir recirculação de gás de combustão.

[006] Uma vantagem de uma modalidade da cabeça de combustão para um queimador é que a chama se estabiliza entre o nariz do queimador e a parede da caldeira. Em uma modalidade da cabeça de combustão, a chama é ancorada à frente do queimador. Outra vantagem de uma modalidade da cabeça de combustão é que a base da chama fica na câmara de combustão.

[007] O queimador de combustão de recirculação em vórtice descrito no presente documento pode ser feito de qualquer material adequado, incluindo cerâmica, polímeros, metais ferrosos e não ferrosos e suas ligas e

3 / 16 compósitos.

[008] No geral, em um aspecto, é provida uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, incluindo: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama incluindo uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora incluindo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro de extensão preso à superfície exterior da cabeça de retenção de chama.

[009] De acordo com uma modalidade, a pluralidade de aletas é igualmente espaçada de maneira circunferencial.

[0010] De acordo com uma modalidade, o membro de extensão é arranjado em uma extremidade a jusante da cabeça de retenção de chama.

[0011] De acordo com uma modalidade, pelo menos um orifício tangencial preso dentro de uma da pluralidade de aberturas é incluído, o pelo menos um orifício tangencial configurado para redirecionar uma porção da corrente de combustível primária para longe do anel.

[0012] De acordo com uma modalidade, cada uma da pluralidade de aletas inclui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade é livre e a segunda extremidade é adjacente ao anel.

[0013] De acordo com uma modalidade, a segunda extremidade encosta no anel.

[0014] De acordo com uma modalidade, cada uma da pluralidade de

4 / 16 aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 5 e 50 graus.

[0015] De acordo com uma modalidade, cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 20 e 40 graus.

[0016] De acordo com uma modalidade, cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de aproximadamente 30 graus.

[0017] De acordo com uma modalidade, uma pluralidade de orifícios tangenciais é incluída e presa dentro da pluralidade de aberturas, cada orifício tangencial incluindo um corpo oco e uma cabeça com uma abertura, em que o corpo oco e a abertura são conectados de modo que o combustível possa passar entre os mesmos e em que a abertura é arranjada aproximadamente 90 graus em relação ao corpo oco.

[0018] No geral, em outro aspecto, é provida uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, incluindo: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama incluindo uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora incluindo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro de extensão preso à superfície exterior da cabeça de retenção de chama. A pluralidade de aberturas é arranjada radialmente para fora do anel e a

5 / 16 pluralidade de aletas é arranjada radialmente para dentro do anel.

[0019] De acordo com uma modalidade, o membro de extensão é arranjado em uma extremidade a jusante da cabeça de retenção de chama.

[0020] De acordo com uma modalidade, pelo menos um orifício tangencial é incluído e preso dentro de uma da pluralidade de aberturas, o pelo menos um orifício tangencial configurado para redirecionar uma porção da corrente de combustível primária para longe do anel.

[0021] De acordo com uma modalidade, cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 5 e 50 graus.

[0022] De acordo com uma modalidade, uma pluralidade de orifícios tangenciais é incluída e presa dentro da pluralidade de aberturas, cada orifício tangencial incluindo um corpo oco e uma cabeça com uma abertura, em que o corpo oco e a abertura são conectados de modo que o combustível possa passar entre os mesmos e em que a abertura é arranjada aproximadamente 90 graus em relação ao corpo oco.

[0023] No geral, em um aspecto adicional, é provida uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, incluindo: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama incluindo uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora incluindo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro

6 / 16 de extensão preso à superfície exterior da cabeça de retenção de chama. Uma chama é estabilizada radialmente para fora da cabeça de retenção de chama em operação.

[0024] Deve ser reconhecido que todas as combinações dos conceitos precedentes e de conceitos adicionais discutidos em mais detalhes abaixo (desde que tais conceitos não sejam mutuamente inconsistentes) são contempladas como sendo partes da matéria inventiva descrita no presente documento. Em particular, todas as combinações da matéria reivindicada que aparecem no final desta descrição são contempladas como sendo partes da matéria inventiva descrita no presente documento.

[0025] Esses e outros aspectos da invenção ficarão evidentes a partir das modalidades descritas abaixo. Breve descrição dos desenhos

[0026] O que foi dito anteriormente ficará evidente a partir da descrição mais particular a seguir das modalidades exemplificativas da presente descrição, como ilustrado nos desenhos anexos nos quais caracteres de referência iguais referem-se às mesmas partes em todas as diferentes vistas. Os desenhos não estão necessariamente em escala, sendo enfatizadas em vez disso as modalidades ilustrativas da presente descrição.

[0027] A figura 1 é uma vista em perspectiva de uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente descrição.

[0028] A figura 2 é uma vista em elevação de extremidade direita da cabeça de combustão de recirculação em vórtice da figura 1, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente descrição.

[0029] A figura 3 é uma vista em elevação de extremidade esquerda da cabeça de combustão de recirculação em vórtice da figura 1, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente descrição.

[0030] A figura 4 é uma vista em seção transversal da cabeça de

7 / 16 combustão de recirculação em vórtice da figura 1, tomada no geral ao longo da linha A-A na figura 2, de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente descrição. Descrição detalhada das modalidades

[0031] Segue uma descrição das modalidades exemplificativas da invenção.

[0032] Em referência agora aos desenhos, nos quais numerais de referência iguais referem-se a partes iguais em todos eles, é mostrada uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice 100 para um queimador que gera baixas concentrações de emissões de monóxido de carbono e óxido de nitrogênio enquanto simultaneamente provê estabilidade de chama melhorada. Embora as figuras ilustrem uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice incluindo entradas de combustível primária e secundária que são arranjadas em uma orientação voltada para cima, deve-se reconhecer que, em operação, a cabeça de combustão de recirculação em vórtice é arranjada de modo que as entradas de combustível primária e secundária sejam arranjadas em uma orientação voltada para baixo ou qualquer orientação.

[0033] Uma vista em perspectiva de uma cabeça de combustão de recirculação em vórtice 100 para um queimador é mostrada na figura 1, de acordo com uma modalidade. A figura 2 é uma vista em elevação de extremidade direita da cabeça de combustão de recirculação em vórtice da figura 1. A figura 3 é uma vista em elevação de extremidade esquerda da cabeça de combustão de recirculação em vórtice da figura 1. A figura 4 é uma vista em seção transversal da cabeça de combustão de recirculação em vórtice da figura 1, tomada no geral ao longo da linha A-A na figura 2. O que se segue deve ser visto com base nas figuras 1 a 4. A cabeça de combustão de recirculação em vórtice 100 no geral inclui um flange de entrada 102 configurado para ser conectado a uma ventoinha ou insuflador de ar de combustão com cavilhas por meio das fissuras dentro do flange de entrada,

8 / 16 um alojamento 104, um flange de montagem 106 configurado para ser conectado a uma câmara de combustão, uma cabeça de retenção de chama 108 e entradas de combustível primária e secundária 110, 112. Deve-se reconhecer que a localização do flange de montagem 106 pode ser modificada de acordo com diferentes configurações de queimador/ câmara de combustão. Por exemplo, em uma modalidade, o flange de montagem pode ser arranjado mais a jusante da posição mostrada nas figuras. Qualquer posição adequada pode ser usada.

[0034] O flange de entrada 102, que é arranjado em uma extremidade a montante do alojamento 104, é conectado a uma ventoinha ou insuflador de ar de combustão e oxidante é fornecido ao alojamento 104 através da ventoinha de ar de combustão.

[0035] Uma corrente de combustível primária é dispensada ao queimador em uma entrada primária 110 e através do tubo de combustível 114 através do furo atravessante do alojamento 104, através do coletor 115 e para dentro da zona de combustão primária onde ela se mistura com o oxidante para produzir uma chama primária.

[0036] Uma corrente de combustível secundária é dispensada ao queimador na entrada secundária 112, através do furo atravessante do alojamento 104, através do coletor 116 e para dentro de uma pluralidade de injetores de combustível 118 arranjados circunferencialmente. Os injetores de combustível são arranjados em torno da superfície externa 128 do alojamento 104 dentro de uma câmara de pressão que inclui ar. A corrente de combustível secundária é misturada com ar para prover um ar secundário e fluxo de gás.

[0037] A cabeça de retenção de chama 108 é presa em uma extremidade a jusante do alojamento 104, que é oposta à extremidade a montante do alojamento onde o flange de entrada 102 é arranjado. A cabeça de retenção de chama 108 inclui uma placa difusora 109 que inclui uma pluralidade de aletas 120, uma pluralidade de aberturas 122, uma pluralidade

9 / 16 de aberturas de cavilha de montagem 123 para cavilhas, e um anel 124. A placa difusora 109 é arranjada ao longo de um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão. Em uma modalidade, a pluralidade de aberturas 122 é arranjada do lado de fora radialmente em relação às aberturas de cavilha de montagem 123, ao anel 124 e à pluralidade de aletas 120. A pluralidade de aletas 120 é arranjada do lado de dentro radialmente em relação ao anel 124 e às aberturas 122 e 123. Em outras palavras, as aberturas 122 e 123, a pluralidade de aletas 120 e o anel 124 são arranjados concentricamente.

[0038] De acordo com uma modalidade, cada aleta da pluralidade de aletas 120 é arranjada em um ângulo em relação ao eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 5 e 50 graus. De acordo com uma modalidade, cada aleta da pluralidade de aletas 120 é arranjada em um ângulo em relação ao eixo geométrico vertical, em que o ângulo é de entre 20 e 60 graus. De acordo com uma modalidade, cada aleta da pluralidade de aletas 120 é arranjada em um ângulo em relação ao eixo geométrico vertical, em que o ângulo é de aproximadamente 30 graus. De acordo com uma modalidade, cada aleta da pluralidade de aletas 120 tem formato substancialmente retangular. No entanto, qualquer configuração adequada e/ou formato podem ser usados em seu lugar. De acordo com uma modalidade, a pluralidade de aletas 120 são igualmente espaçadas de maneira circunferencial. Embora haja oito aletas mostradas na modalidade retratada nas figuras, deve-se reconhecer que aletas adicionais ou menos aletas podem ser usadas em vez disso. Por exemplo, em uma modalidade exemplificativa, há quatro aletas igualmente espaçadas de maneira circunferencial. De acordo com uma modalidade, cada aleta da pluralidade de aletas 120 inclui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade é livre e a segunda extremidade é adjacente ao anel 124. Cada aleta pode ser presa ao e encostar no anel 124 para maior estabilidade. O termo “livre” é destinado a significar não conectado(a) a outra estrutura física.

10 / 16 De acordo com uma modalidade, a pluralidade de aletas 120 pode ser produzida dentro da placa difusora de aço 109 formando-se aberturas por corte a laser, corte por plasma, ou qualquer outro método adequado. Após as aberturas serem formadas, as lâminas podem então ser fixamente presas em cima das aberturas por soldagem, por exemplo, ou qualquer outro método adequado.

[0039] De acordo com uma modalidade, uma fonte de ignição 130 é provida radialmente para fora do anel 124 e da pluralidade de aletas 120. De acordo com uma modalidade, as entradas de combustível primária e secundária 110, 112 são arranjadas aproximadamente 180 graus circunferencialmente da fonte de ignição 130. Em uma modalidade exemplificativa, o furo para o tubo analisador 132 é arranjado aproximadamente 90 graus da fonte de ignição 130. Em outra modalidade exemplificativa, o tubo analisador 132 é arranjado menos de 90 graus circunferencialmente da fonte de ignição 130. Em outra modalidade exemplificativa, o tubo analisador 132 é arranjado entre 90 e 180 graus circunferencialmente da fonte de ignição 130 (ou no sentido horário ou no sentido anti-horário).

[0040] De acordo com uma modalidade, o furo 132 para um tubo analisador de chama é provido dentro da cabeça de retenção de chama 108. Em uma modalidade, o tubo analisador de chama é arranjado dentro do furo 132 radialmente para dentro do anel 124 e da pluralidade de aberturas 122 e próximo à pluralidade de aletas 120. Em uma modalidade, o furo e o tubo analisador 132 são arranjados entre duas aletas adjacentes da pluralidade de aletas 120. O analisador em si não é colocado dentro do alojamento visto que os gases FGR quentes o destruiriam. Em vez disso, o analisador é arranjado dentro de um tubo analisador de UV (não mostrado) que se estende do lado posterior do alojamento (não mostrado) através do difusor 109 no furo 132 para fixar o ângulo do analisador e assegurar que o analisador esteja

11 / 16 apropriadamente posicionado. Deve-se reconhecer que o tubo pode ser fixado no lado posterior do alojamento em qualquer localização adequada. Por exemplo, em uma modalidade, um analisador de UV é arranjado dentro do tubo menos de 180 graus circunferencialmente das entradas de combustível primária e secundária 110, 112 (no sentido anti-horário como mostrada na figura 2). Deve-se reconhecer que o furo e o tubo analisador 132 podem também ser arranjados menos de 180 graus circunferencialmente das entradas de combustível 110, 112 no sentido horário. Em uma modalidade exemplificativa, o furo e o tubo analisador 132 são arranjados menos de 90 graus circunferencialmente das entradas de combustível 110, 112 ou no sentido horário ou no sentido anti-horário.

[0041] Na figura 2, há vinte aberturas 122 arranjadas radialmente para fora de oito aberturas de cavilha de montagem 123. No entanto, aberturas adicionais ou menos aberturas e/ou aberturas de cavilha podem ser usadas. Em uma modalidade exemplificativa, as aberturas 122 são preenchidas com orifícios tangenciais 125. Em uma modalidade exemplificativa incluindo orifícios tangenciais 125, um quarto, metade ou três quartos dos orifícios tangenciais podem ser usados (ou qualquer quantidade adequada de orifícios tangenciais). Em uma modalidade exemplificativa, cada orifício tangencial 125 é arranjado para prover gás à zona piloto e inflamar o queimador. Cada orifício tangencial 125 inclui um corpo oco e uma cabeça que inclui uma abertura. Circundando o exterior do corpo oco de cada orifício tangencial há rosqueamento externo usado para prendê-lo dentro de uma abertura 122. Em uma modalidade exemplificativa, a cabeça é hexagonal; no entanto, qualquer formato adequado pode ser usado em seu lugar. Em operação, a corrente de combustível primária passa através de cada orifício tangencial passando pelo corpo oco primeiro e então passando através da abertura na cabeça. Usando uma cabeça hexagonal como exemplo, a abertura na cabeça é arranjada para estender-se do centro do corpo oco através de um dos seis lados da cabeça.

12 / 16 Assim, a abertura na cabeça redireciona a corrente de combustível primária radialmente para fora e longe do anel 124. Em uma modalidade exemplificativa, a abertura na cabeça é arranjada aproximadamente 90 graus em relação ao corpo oco. Na figura 1, é mostrada uma abertura 127 exemplificativa na cabeça hexagonal. A abertura 127 na cabeça é muito menor do que o corpo oco de modo que a corrente de combustível primária seja redirecionada de maneira controlada. Por exemplo, o orifício tangencial 125 pode ter 1,47 cm (0,578 pol.) de comprimento incluindo um corpo oco com um diâmetro de 0,51 cm (0,203 pol.) e uma abertura da cabeça com um diâmetro de 0,15 cm (0,062 pol.) em que a cabeça tem uma largura de 0,95 cm (0,375 pol.). Diferentemente das aberturas convencionais que direcionam o gás de maneira reta, os orifícios tangenciais descritos no presente documento redirecionam o gás radialmente, mantendo o gás dentro da zona primária, iniciando, assim, a ignição. Um orifício tangencial 125 pode ser feito removendo o meio de uma cavilha por perfuração para formar um corpo oco e perfurando um furo lateral de conexão na cabeça. Em uma modalidade alternativa, pode haver aberturas adicionais em lados adicionais da cabeça ou aberturas adicionais no mesmo lado da cabeça.

[0042] De acordo com uma modalidade, a cabeça de retenção de chama 108 inclui um membro de extensão 126 preso à superfície exterior 128 da cabeça de retenção de chama 108. O membro de extensão 126 é arranjado em uma extremidade a jusante da cabeça de retenção de chama 108. Em uma modalidade exemplificativa, o membro de extensão 126 é um anel cilíndrico de fuste redondo de 0,63 cm (0,25 pol.). Em uma modalidade exemplificativa, o membro de extensão 126 é um anel cilíndrico de fuste redondo de 0,95 cm (0,375 pol.). No entanto, qualquer formato e/ou tamanho adequado podem ser usados em seu lugar. Por exemplo, um anel retangular pode ser usado. Em uma modalidade exemplificativa, é provido um anel retangular que tem 0,95 cm (0,375 pol.) de altura e 1,27 cm (0,5 pol.) de comprimento. Em uma

13 / 16 modalidade exemplificativa, é provido um anel retangular que tem 0,63 cm (0,25 pol.) de altura e 0,95 cm (0,375 pol.) de comprimento.

[0043] Durante a operação, a placa difusora 109 cria uma rotação mista no ar de combustão fluindo através da mesma e é gerada recirculação a jusante do nariz do queimador devido ao ar primário no centro (mostrado na figura 4 com a seta A). Também é gerada recirculação dentro da câmara de combustão adjacente a uma parede de base da câmara de combustão devido ao ar secundário e ao fluxo de gás introduzido fora da superfície exterior 128 da cabeça de retenção de chama 108. Tal recirculação é localizada a montante do nariz do queimador e radialmente para fora do queimador (mostrado na figura 4 com as setas B e C). O ar secundário e o fluxo de gás recirculados são inflamados pela chama primária. A placa difusora 109 da cabeça de retenção de chama 108 provê vantajosamente um vórtice e giro uniforme. O membro de extensão 126, que é preso à superfície exterior 128 da cabeça de retenção de chama 108, estabiliza vantajosamente o vórtice. Ao contrário de ser retida na zona primária do queimador, a chama durante a operação se estabiliza radialmente para fora do nariz do queimador. Em uma modalidade exemplificativa, a chama durante a operação se estabiliza entre o nariz do queimador e uma parede de uma câmara de combustão de uma caldeira. Durante a operação, uma chama é produzida, tendo-se o contorno da chama mostrado na figura 4 que começa no lado de fora da cabeça de retenção de chama 108 e estende-se para fora em direção às paredes de uma câmara de combustão.

[0044] De acordo com uma modalidade, um queimador incluindo a cabeça de combustão de recirculação em vórtice descrita no presente documento inclui um trocador de calor acoplado à câmara de combustão. Um sistema de recirculação de gás de combustão pode ser acoplado a uma pilha de calor do trocador de calor e configurado para recircular gases de combustão de volta para a caixa de ar do queimador. O gás de combustão

14 / 16 recirculado reduz as emissões de NOx diluindo a mistura de combustível/ar e suprimindo o mecanismo de NOx térmico. O gás de combustão recirculado também baixa a concentração de oxigênio na zona primária de chama, reduzindo, assim, a formação de NOx. A fim de controlar o fluxo de ar de combustão para dentro do alojamento 104, um amortecedor pode ser arranjado próximo à caixa de ar do queimador.

[0045] A cabeça de queimador de combustão de recirculação em vórtice incluindo FGR foi testada em um modelo 4S-350, uma caldeira escocesa de quatro passes e traseira molhada (waterback) disponível junto à Burnham Commercial localizada em Lancaster, PA. O queimador específico incluía um difusor achatado 109 com oito fendas que foram dobradas em 30 graus em relação ao eixo geométrico vertical. O difusor fendilhado achatado 109 incluía um anel difusor 12Ga de 18,09 cm (7,125 pol.). As fendas foram cobertas com aletas 120 de 7,62 cm (3 pol.) x 1,90 cm (0,75 pol.) para direcionar ar para longe de não se mover na direção para frente. O anel difusor externo tinha 2,54 cm (1 pol.) de altura. Os tubos de gás secundários não incluíam orifícios. A frente do queimador (primário) incluía nove orifícios nº 51 x 1 e dez tampas. Oito cavilhas foram instaladas na zona primária. Nenhuma arruela foi instalada atrás do difusor, mas uma gaxeta foi usada em seu lugar. Uma haste 126 de 0,63 cm (0,25 pol.) cortada para ficar com um comprimento de 95,88 cm (37,75 pol.) foi laminada e soldada na ponta da zona primária para forçar a chama para fora.

[0046] Usando o esquema acima com fogo baixo, é observada uma linha da zona primária para a zona secundária, indicando que as zonas primária e secundária completas estão em contato. Assim, a chama é afixada nessa modalidade exemplificativa. O contorno da chama se estende radialmente para fora (em um ângulo na direção a jusante) para a parede da câmara de combustão a partir do membro de extensão 126. Ademais, a chama não se move durante a operação dessa modalidade exemplificativa. A tabela a

15 / 16 seguir inclui os resultados dos testes do esquema acima. Como mostrado na tabela abaixo, no Ponto 7 a quantidade de emissões de NOx é 0,0 ppm O2: Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 Ponto 6 Ponto 7 Potência 4,9 5,4 8,7 10,17 O2 da caixa de ar 17,0 19,5 [%] O2 [%] 3,3 3,5 3,3 3,0 4,0 4,1 7,8 CO [ppm corr] 0 0 0 0 0 0 0 NOx [ppm corr] 4,8 4,1 4,0 3,3 1,8 1,8 0,0

[0047] Em outro teste exemplificativo usando uma caldeira da antiga empresa Kewanee Boiler (modelo LM888), foram usados os seguintes parâmetros exemplificativos. No Ponto 1, a taxa total em MBTU/h é

3.329.802, em que os atuadores a seguir foram arranjados nas seguintes posições: a posição de borboleta de combustível secundário fica em 22,2 graus, a posição de borboleta de ar fica em 12,9 graus, a posição de borboleta de combustível primário fica em 6 graus, e a posição de borboleta de FGR fica em 9,5 graus. Também no Ponto 1, as seguintes pressões operacionais são usadas: a pressão de gás primário na cabeça é 30,99 cm (12,2 pol.) de coluna d’água (inches of water column - IWC), a pressão de gás secundário é 4,31 cm (1,7 pol.) de coluna d’água, a pressão da câmara da caldeira é 0,15 cm (0,06 pol.) de coluna d’água, e a pressão de entrada da ventoinha é -42,67 cm (-16,8 pol.) de coluna d’água. A porcentagem de O2 do alojamento do insuflador é 17,3 e a temperatura do alojamento do insuflador é 53,33 ºC (128 ºF). Na mesma modalidade exemplificativa no Ponto 1, a temperatura de ar ambiente é 18,88 ºC (66 ºF) e a temperatura de pilha é 170,55 ºC (339 ºF). Com esses parâmetros no Ponto 1, a quantidade de emissões de O2 é 3,7, a quantidade de emissões de CO é 8 ppm corrigidos em 3% de O2, a quantidade de emissões de NOx é 3,5 ppm corrigidos em 3% de O2, e a quantidade de emissões de CO2 é 9,6%.

[0048] Em uma modalidade exemplificativa usando a caldeira LM888 da Kewanee, quando a porcentagem de O2 na caixa de ar está na faixa de 15- 16%, as emissões de NOx estão na faixa de 4,8-5 ppm corrigidos em 3% de O2. Na mesma modalidade exemplificativa, quando a porcentagem de O2 na

16 / 16 caixa de ar sobe (na faixa de 17-20%), as emissões de NOx diminuem a níveis na faixa de 2-3 ppm corrigidos em 3% de O2.

[0049] Embora várias modalidades inventivas tenham sido descritas e ilustradas no presente documento, os técnicos no assunto conceberão prontamente uma variedade de outros meios e/ou estruturas para realizar a função e/ou obter os resultados e/ou uma ou mais das vantagens descritas no presente documento, e cada uma de tais variações e/ou modificações é considerada como estando dentro do escopo das modalidades inventivas descritas no presente documento. De modo mais geral, os versados na técnica reconhecerão prontamente que se pretende que todos os parâmetros, dimensões, materiais e configurações descritos no presente documento sejam exemplificativos e que os parâmetros, dimensões, materiais e/ou configurações reais dependem da aplicação ou aplicações específicas para as quais os ensinamentos inventivos são usados. Os versados na técnica reconhecerão, ou serão capazes de verificar usando não mais do que experimentação de rotina, muitos equivalentes às modalidades inventivas específicas descritas no presente documento. Deve-se entender, portanto, que as modalidades precedentes são apresentadas somente a título de exemplo e que, dentro do escopo das reivindicações anexas e equivalentes das mesmas, as modalidades inventivas podem ser praticadas de outro modo que não o especificamente descrito e reivindicado. As modalidades inventivas da presente descrição são dirigidas a cada característica, sistema, artigo, material e/ou método individuais descritos no presente documento. Além disso, qualquer combinação de dois ou mais de tais características, sistemas, artigos, materiais e/ou métodos, se tais características, sistemas, artigos, materiais e/ou métodos não forem mutuamente inconsistentes, está incluída dentro do escopo inventivo da presente descrição.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, caracterizada pelo fato de que compreende: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama que compreende uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora compreendendo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro de extensão preso a uma superfície exterior da cabeça de retenção de chama.

2. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de aletas é igualmente espaçada de maneira circunferencial.

3. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o membro de extensão é arranjado em uma extremidade a jusante da cabeça de retenção de chama.

4. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um orifício tangencial preso dentro de uma da pluralidade de aberturas, o pelo menos um orifício tangencial configurado para redirecionar uma porção da corrente de combustível primária para longe do anel.

5. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma da pluralidade de aletas compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade é livre e a segunda extremidade é adjacente ao anel.

6. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a segunda extremidade encosta no anel.

7. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 5 e 50 graus.

8. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 20 e 40 graus.

9. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de aproximadamente 30 graus.

10. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma pluralidade de orifícios tangenciais presos dentro da pluralidade de aberturas, cada orifício tangencial compreendendo um corpo oco e uma cabeça com uma abertura, em que o corpo oco e a abertura são conectados de modo que o combustível possa passar entre os mesmos e em que a abertura é arranjada aproximadamente 90 graus em relação ao corpo oco.

11. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, caracterizada pelo fato de que compreende: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama que compreende uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora compreendendo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro de extensão preso a uma superfície exterior da cabeça de retenção de chama, em que a pluralidade de aberturas é arranjada radialmente para fora do anel e a pluralidade de aletas é arranjada radialmente para dentro do anel.

12. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o membro de extensão é arranjado em uma extremidade a jusante da cabeça de retenção de chama.

13. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um orifício tangencial preso dentro de uma da pluralidade de aberturas, o pelo menos um orifício tangencial configurado para redirecionar uma porção da corrente de combustível primária para longe do anel.

14. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que cada uma da pluralidade de aletas é arranjada em um ângulo em relação a um eixo geométrico vertical da cabeça de combustão, em que o ângulo é de entre 5 e 50 graus.

15. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma pluralidade de orifícios tangenciais presos dentro da pluralidade de aberturas, cada orifício tangencial compreendendo um corpo oco e uma cabeça com uma abertura, em que o corpo oco e a abertura são conectados de modo que o combustível possa passar entre os mesmos e em que a abertura é arranjada aproximadamente 90 graus em relação ao corpo oco.

16. Cabeça de combustão de recirculação em vórtice para um queimador, caracterizada pelo fato de que compreende: um alojamento com um furo atravessante, uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, as extremidades a montante e a jusante arranjadas em lados opostos do furo atravessante, o alojamento configurado para receber ar de combustão; uma entrada de combustível primária arranjada adjacente à extremidade a montante do alojamento configurada para introduzir uma corrente de combustível primária no alojamento; uma entrada de combustível secundária arranjada a jusante da entrada de combustível primária configurada para introduzir uma corrente de combustível secundária no alojamento; uma cabeça de retenção de chama que compreende uma placa difusora presa à extremidade a jusante do alojamento, a placa difusora compreendendo uma pluralidade de aberturas, uma pluralidade de aletas, e um anel; e um membro de extensão preso a uma superfície exterior da cabeça de retenção de chama, em que uma chama é estabilizada radialmente para fora da cabeça de retenção de chama em operação.