BR112019027885A2 - forno com recuperação de calor integrada utilizando um recuperador radiativo para pré-aquecer reagentes de combustão usando calor de gás de combustão - Google Patents

Abstract

Um recuperador radiativo pré-aquece oxidante e/ou combustível para combustão em um ou mais queimadores de um forno. O recuperador inclui um duto, pelo menos porções do qual compreendem um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K), preferencialmente superior a 3 W/(m·K), que recebe gás de combustão quente produzido pelo(s) queimador(es). O duto transfere calor radiativamente para o oxidante ou combustível (para pré-aquecimento) que flui através de um ou mais tubos metálicos dispostos entre o duto e uma parede isolante.

Description

FORNO COM RECUPERAÇÃO DE CALOR INTEGRADA UTILIZANDO UM RECUPERADOR RADIATIVO PARA PRÉ-AQUECER REAGENTES DE

COMBUSTÃO USANDO CALOR DE GÁS DE COMBUSTÃO Antecedentes Campo da Invenção

[1] A presente invenção se refere ao pré-aquecimento de um ou ambos os tipos de reagentes de combustão (isto é, oxidante e/ou combustível) para combustão em um ou mais queimadores de um forno usando calor desperdiçado do gás de combustão produzido no forno.

Técnica Relacionada

[2] O pré-aquecimento de ar para combustão em um forno de alta temperatura através da recuperação de energia térmica a partir de gás de combustão tem alcançado poupanças de combustível em fornos para vidro. Por exemplo, e como ilustrado na FIG 1, fluxos de um combustível F e ar pré- aquecido HA são queimados por queimadores B de um forno F produzindo um fluxo de gás de combustão FG. O fluxo de gás de combustão FG é transportado por um canal C para um recuperador metálico R que serve para transferir calor do gás de combustão FG para um fluxo de ar A que depois se torna o fluxo de ar pré-aquecido HA. Como é mostrado na FIG 2, um tipo de recuperador para um forno pré-aquecido a ar tem uma configuração de duplo tubo em que o fluxo de gás de combustão FG está contido dentro de um tubo interior metálico IP e permuta calor através do tubo interior IP com um fluxo de ar A contido em um espaço anelar entre o tubo interior IP e um tubo exterior OP. Como ilustrado na FIG 3, outro tipo de recuperador para um forno pré-aquecido a ar inclui uma pluralidade de tubos interiores IP, contendo fluxos de ar A, que estão dispostos em torno da periferia de um espaço cilíndrico cercado por isolamento refratário IR contendo o fluxo de gás de combustão FG. Tanto quanto sabemos, estas duas últimas técnicas (isto é, aquelas que incluem uma única interface metálica entre o gás de combustão e o oxigênio ou gás natural) não foram comercialmente aplicadas no pré- aquecimento de oxigênio e gás natural por razões de segurança. Isto se deve ao fato de ser expectável que o tubo metálico interior único ou o anel de tubos metálicos interiores falhasse em tempo útil devido ao ataque corrosivo da temperatura elevada do gás de combustão FG no metal dos tubos P. Uma fuga de oxigênio ou gás natural para um fluxo de gás de combustão poderia levar a um incidente catastrófico em termos de segurança.

[3] A técnica de pré-aquecer ar de combustão foi aplicada com algum sucesso em fornos para vidro a oxigênio (isto é, fornos para vidro aquecidos por queimadores queimando oxidante de combustão que não é ar, mas em vez disso é alguma forma de gás enriquecido com oxigênio tal como oxigênio industrialmente puro). Todavia, aquecer o fluxo de oxigênio é extremamente desafiante, porque a alta reatividade do oxigênio, especialmente a alta temperatura, coloca restrições extremas na concepção e construção do sistema de recuperação de calor. Por exemplo, embora seja prática comum usar um regenerador, através do qual gás de combustão e ar fluem em ciclos alternados para pré-aquecer o ar, é geralmente considerado impossível usar esta técnica com oxigênio devido ao receio de que o oxigênio reagisse com contaminantes inevitavelmente presentes no gás de combustão e depositados no regenerador.

[4] De modo semelhante a fornos para vidro, o pré- aquecimento de combustível e/ou oxidante também foi proposto para fornos de fundição de metal.

[5] Para evitar o problema acima mencionado, é divulgada em US 6,250,916 uma solução em que é usado gás de combustão quente para pré-aquecer ar que é usado, por sua vez, para pré-aquecer oxigênio. Também Görüney et al. descreveram uma modalidade do sistema HeatOx disponibilizado pela Air Liquide em que o ar é primeiro aquecido em um recuperador através de permuta de calor com o gás de combustão quente e, subsequentemente, o oxigênio ou gás natural é pré-aquecido com o ar quente em um permutador de calor de casco e tubos separado (Görüney, et al., "Oxy-Fuel Tableware Furnace with Novel Oxygen- and Natural Gas Preheating System", 77ª Conferência sobre Problemas do Vidro). Embora estas abordagens tenham sido bastante satisfatórias, podem por vezes ser um pouco limitadas em dois aspetos. Em primeiro lugar, devido à necessidade de ter permutadores de calor separados (para pré-aquecer o ar e pré-aquecer o oxigênio ou gás natural), o custo do capital associado pode em certas situações impedir investimento em um tal projeto devido à necessidade de um tempo mais longo para o retorno do investimento. Em segundo lugar, as temperaturas às quais o oxigênio ou gás natural podem ser pré-aquecidos são limitadas pela temperatura do ar pré-aquecido. Consequentemente, as tecnologias convencionais estão limitadas na quantidade de energia térmica que pode ser recuperada a partir do gás de combustão quente e transferida para o oxigênio ou gás natural. Tipicamente, a temperatura do ar pré-aquecido não é superior a 650 °C.

[6] Consequentemente, existe a necessidade de pré-aquecer um reagente de combustão para um forno através de recuperação de calor a partir do gás de combustão que apresenta um risco menor de uma falha de segurança catastrófica. Existe também a necessidade de pré-aquecer um reagente de combustão para um forno através de recuperação de calor a partir do gás de combustão que apresente economia aprimorada.

Sumário

[7] É divulgado um forno que utiliza permuta de calor recuperativa para pré-aquecer um reagente de combustão com energia térmica desperdiçada de gás de combustão, que compreende: uma câmara de combustão incluindo um espaço de combustão cercado por uma parede de forno no qual um combustível e um oxidante são queimados para aquecer vidro ou materiais para o fabrico de vidro sólidos e/ou fundidos ou metal sólido e/ou fundido e assim produzir gás de combustão; um ou mais queimadores montados na parede do forno adaptados e configurados para injetar combustível pré- aquecido e/ou oxidante pré-aquecido no interior da câmara de combustão para combustão dentro desta; um duto se estendendo ao longo de um eixo e tendo uma primeira extremidade recebendo pelo menos uma porção do gás de combustão produzido na câmara de combustão e uma segunda extremidade oposta descarregando o gás de combustão recebido; uma ou mais paredes isolantes se estendendo paralelas ao eixo do duto e adjacentes a uma superfície exterior do duto, a parede isolante sendo compreendida por um material isolante, um espaço de gás não reativo estando definido entre uma superfície exterior do duto e uma superfície interior da parede isolante, um ou mais tubos metálicos se estendendo através do espaço de gás não reativo, os tubos recebendo o oxidante de combustão ou o combustível de combustão e descarregando o oxidante de combustão ou o combustível de combustão após ser pré-aquecido, em que pelo menos porções do duto são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K).

[8] É divulgado outro forno utilizando permuta de calor recuperativa para pré-aquecer um reagente de combustão com energia térmica desperdiçada de gás de combustão, que compreende: uma câmara de combustão incluindo um espaço de combustão cercado por uma parede de forno no qual um combustível e um oxidante são queimados para aquecer vidro ou materiais para fabrico do vidro, sólidos e/ou fundidos, ou metal sólido e/ou fundido e produzindo assim gás de combustão; um ou mais queimadores montados na parede do forno adaptados e configurados para injetar combustível pré- aquecido e/ou oxidante pré-aquecido no interior da câmara de combustão para combustão dentro desta; e um recuperador, o recuperador que compreende: um duto que compreende um conjunto de quatro pilares estruturais dispostos em quatro cantos do duto e também quatro porções do duto cada uma das quais se estendendo entre um par dos pilares, as porções de duto sendo feitas de um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K); um conjunto de quatro paredes isolantes cada uma das quais se estendendo adjacente e paralela a uma respectiva porção de duto, um espaço de gás não reativo estando disposto entre cada par de porção de duto e parede isolante se estendendo adjacentes e paralelas; e um ou mais conjuntos de uma pluralidade de tubos metálicos, cada conjunto se estendendo através de um respectivo espaço de gás não reativo, cada um dos tubos metálicos estando adaptado e configurado para receber um fluxo de um reagente de combustão e descarregar o reagente de combustão após seu pré-aquecimento, em que os queimadores estão em comunicação fluida com os tubos metálicos para receber deles reagente de combustão pré-aquecido.

[9] É também divulgado um método de permuta de calor recuperativa para pré-aquecer um reagente de combustão com energia térmica desperdiçada de gás de combustão produzido por um forno. O método compreende as seguintes etapas. Combustível e oxidante são injetados de um ou mais queimadores montados em uma parede de forno de um forno, para um espaço de combustão dentro de uma câmara de combustão cercado por uma parede de forno do forno e o combustível e o oxidante injetados são queimados no espaço de combustão, aquecendo assim vidro sólido e/ou fundido ou metal sólido e/ou fundido e produzindo gás de combustão, em que pelo menos um dentre o combustível e o oxidante é pré-aquecido. O gás de combustão é recebido em uma primeira extremidade de um duto se estendendo ao longo de um eixo, em que pelo menos porções do duto são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). O gás de combustão recebido é descarregado a partir de uma segunda extremidade do duto. É permutado calor entre o gás de combustão e o duto por permuta radiativa e convectiva de calor. É permutado calor entre uma ou mais das porções do duto constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e o um ou mais e um ou mais tubos metálicos opostos às referidas porções por permuta radiativa de calor através de um espaço de gás não reativo cheio de gás não reativo, o um ou mais tubos metálicos se estendendo através do espaço de gás não reativo, o espaço de gás não reativo estando definido entre uma superfície exterior do duto e uma superfície interior de uma parede isolante que se estende paralela ao eixo do duto e adjacente à superfície exterior do duto oposto a uma porção constituída por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). É permutado calor entre o um ou mais tubos metálicos e o combustível ou o oxidante fluindo através dos tubos, por permuta de calor convectiva para fornecer combustível pré-aquecido ou oxidante pré-aquecido. O combustível pré-aquecido ou oxidante pré-aquecido é alimentado ao um ou mais queimadores.

[10] Qualquer um ou mais dos fornos ou método pode incluir um ou mais dos aspectos seguintes: - o duto é um duto cerâmico. - as porções do duto que são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) estão dispostas em oposição ao um ou mais tubos metálicos. - o gás não reativo é ar, o espaço de gás não reativo comunica livremente com o ar ambiente, opcionalmente por convecção natural, e não é usado qualquer dispositivo mecânico para criar um fluxo de ar através do espaço de gás não reativo. - uma fonte de combustível gasoso está em comunicação fluida com o(s) referido(s) um ou mais tubos.

- uma fonte de oxidante está em comunicação fluida com o(s) referido(s) um ou mais tubos. - o oxidante é ar enriquecido em oxigênio, oxigênio industrialmente puro, uma mistura de oxigênio industrialmente puro e gás de combustão recirculado ou uma mistura de oxigênio industrialmente puro e dióxido de carbono - a fonte de oxidante é uma unidade criogênica de separação de ar, uma unidade de adsorção de oscilação de vapor ou um vaporizador alimentado com oxigênio líquido a partir de um reservatório de oxigênio líquido. - o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) é um material cerâmico ou uma liga metálica, - o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) é um concreto refratário que tem um teor de SiC preferencialmente de 30% ou superior ou 70% ou superior. - uma totalidade do duto é constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). - uma totalidade do duto é constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 3 W/(m·K). - algumas porções do duto são constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e as restantes porções do duto são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica inferior ou igual a 1 W/(m·K). - uma espessura de parede do duto é de 1 a 10 cm. - o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) é uma liga metálica e tem uma espessura de parede do duto igual ou menor que 10 cm.

- o duto tem uma configuração de seção transversal retangular com primeiro, segundo, terceiro e quarto lados e a uma ou mais paredes isolantes compreendem primeira, segunda, terceira e quarta paredes isolantes correspondentes; a primeira parede isolante está disposta adjacente ao e espaçada de um primeiro dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um primeiro espaço de gás não reativo entre a primeira parede isolante e o primeiro lado; uma segunda parede isolante está disposta adjacente ao e espaçada de um segundo dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um segundo espaço de gás não reativo entre a segunda parede isolante e o segundo lado; uma terceira parede isolante está disposta adjacente ao e espaçada de um terceiro dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um terceiro espaço de gás não reativo entre a terceira parede isolante e o terceiro lado; e uma quarta parede isolante está disposta adjacente ao e espaçada de um quarto dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um quarto espaço de gás não reativo entre a quarta parede isolante e o quarto lado. - cada uma das paredes isolantes está montada de modo reversível no duto e cada um dos lados do duto oposto a uma parede isolante inclui porções constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K); cada um dos lados do duto também inclui porções restantes constituídas por um material cerâmico que tem uma condutividade térmica menor ou igual a

W/(m·K); e as porções constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) estão montadas de modo reversível em aberturas formadas nas porções restantes para permitir que qualquer uma das porções constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) seja substituída sem requerer que o forno seja desligado. - o duto é constituído por quatro pilares dispostos em quatro cantos respetivos do duto e por quatro porções de duto cada uma das quais se estendendo entre um par de pilares respetivo de modo a que uma primeira das quatro porções de duto seja paralela a uma terceira das quatro porções de duto e uma segunda das quatro porções de duto seja perpendicular à primeira das quatro porções de duto e paralela a uma quarta das quatro porções de duto; a uma ou mais paredes isolantes compreendem primeira, segunda, terceira e quarta paredes isolantes correspondentes que se estendem paralelas à primeira, segunda, terceira e quarta porções de duto, respectivamente, de modo a definir primeiro, segundo, terceiro e quarto espaços de gás não reativo, respectivamente; um primeiro conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estende através do primeiro espaço de gás não reativo; um segundo conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estende através do segundo espaço de gás não reativo; um terceiro conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estende através do terceiro espaço de gás não reativo; um terceiro conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estende através do terceiro espaço de gás não reativo; e cada uma das quatro porções de duto é constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). - a uma ou mais paredes isolantes compreendem uma parede isolante com uma configuração de seção transversal circular que circunda concentricamente o duto que tem também uma configuração de seção transversal circular. - o gás não reativo é ar, o espaço de gás não reativo comunica livremente com o ar ambiente e não é usado qualquer dispositivo mecânico para criar um fluxo de ar através do espaço de gás não reativo. - o combustível flui através do um ou mais tubos e o combustível pré-aquecido é alimentado ao um ou mais queimadores. - o oxidante flui através do um ou mais tubos e o oxidante pré-aquecido é alimentado ao um ou mais queimadores. - o oxidante é ar enriquecido em oxigênio, oxigênio industrialmente puro, uma mistura de oxigênio industrialmente puro e gás de combustão recirculado ou uma mistura de oxigênio industrialmente puro e dióxido de carbono. - o oxidante é oxigênio industrialmente puro produzido por uma unidade criogênica de separação de ar, uma unidade de adsorção de oscilação de vapor ou um vaporizador alimentado com oxigênio líquido a partir de um reservatório de oxigênio líquido. - uma totalidade de todo o oxidante alimentado ao um ou mais queimadores tem um teor de oxigênio de pelo menos 24% em volume. - o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) é um concreto refratário, preferencialmente de SiC, mais preferencialmente tendo um teor de SiC de pelo menos 70%. - uma totalidade do duto é constituída pelo material cerâmico que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). - algumas porções do duto são constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e as restantes porções do duto são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica inferior ou igual a 1 W/(m·K). - o combustível flui através dos tubos e o combustível pré-aquecido é alimentado ao um ou mais queimadores. - o combustível flui através de alguns dos tubos, o oxidante flui através de outros tubos e o combustível pré-aquecido e o oxidante pré-aquecido são alimentados no um ou mais queimadores. - uma temperatura do gás de combustão é de 1 100 a 1 550 °C. - o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) tem uma condutividade térmica superior a 3 W/(m·K). - o forno é um forno para vidro e o combustível e o oxidante são queimados para aquecer vidro ou materiais para o fabrico de vidro sólidos e/ou fundidos. - o forno é um forno para fundir metal e o combustível e o oxidante são queimados para aquecer metal sólido e/ou fundido.

Breve Descrição dos Desenhos

[11] Para um maior entendimento da natureza e objetivos da presente invenção, deve ser feita referência à descrição detalhada a seguir, tomada em combinação com os desenhos anexos, nos quais elementos semelhantes recebem os mesmos números de referência ou análogos, e em que:

[12] A FIG 1 é uma vista esquemática plana de topo de um forno convencional de pré-aquecimento a ar.

[13] A FIG 2 é uma vista esquemática de topo da seção transversal de um tipo de recuperador utilizado em fornos convencionais de pré-aquecimento a ar.

[14] A FIG 3 é uma vista esquemática de topo da seção transversal de um tipo de recuperador utilizado em fornos convencionais de pré-aquecimento a ar.

[15] A FIG 4 é uma vista esquemática plana de topo de uma modalidade do novo forno utilizando oxigênio pré-aquecido ou combustível pré-aquecido.

[16] A FIG 5 é uma vista esquemática de topo da seção transversal de uma modalidade do recuperador do novo forno.

[17] A FIG 6 é uma vista esquemática de topo da seção transversal de outra modalidade do recuperador do novo forno.

[18] A FIG 7 é uma vista esquemática lateral da seção transversal de outra modalidade do recuperador do novo forno.

[19] A FIG 8 é uma vista esquemática de topo da seção transversal de ainda outra modalidade do recuperador do novo forno.

[20] A FIG 9A é uma vista esquemática lateral da seção transversal de uma porção de ainda outra modalidade do recuperador do novo forno.

[21] A FIG 9B é uma vista esquemática lateral da seção transversal de uma porção de outra modalidade do recuperador do novo forno.

[22] A FIG 9C é uma vista esquemática lateral da seção transversal de uma porção de outra modalidade do recuperador do novo forno.

[23] A FIG 9D é uma vista esquemática lateral da seção transversal de uma porção de outra modalidade do recuperador do novo forno.

[24] A FIG 10 é uma vista esquemática em perspectiva do recuperador da FIG 8.

[25] A FIG 11 é uma vista esquemática em perspectiva do recuperador da FIG 8 com partes removidas.

[26] A FIG 12 é uma vista esquemática em perspectiva do recuperador da FIG 8 com partes removidas.

[27] A FIG 13A é uma vista esquemática de topo da seção transversal de outra modalidade do recuperador do novo forno.

[28] A FIG 13B é uma vista esquemática de topo da seção transversal de ainda outra modalidade do recuperador do novo forno.

[29] A FIG 13C é uma vista esquemática de topo da seção transversal de ainda outra modalidade do recuperador do novo forno.

[30] A FIG 14A é uma vista esquemática explodida de topo da seção transversal de uma parte das modalidades das FIGS 13A- C.

[31] A FIG 14B vista esquemática de topo da seção transversal de uma parte das modalidades das FIGS 13A-C incluindo um calço opcional para fixar uma porção de duto.

[32] A FIG 14C é uma vista esquemática frontal das modalidades das FIGS 13A-13C com partes removidas nas quais porções do duto estão empilhadas umas sobre as outras.

[33] A FIG 14D é uma vista esquemática lateral explodida de duas das porções de duto da modalidade da 14C.

[34] A FIG 15A é um esquema de fluxos de calor para métodos convencionais de transferência de calor.

[35] A FIG 15B é um esquema de fluxos de calor para um exemplo ilustrativo da invenção.

Descrição de Modalidades Preferenciais

[36] Um ou ambos os reagentes de combustão (isto é, oxidante e combustível) são pré-aquecidos através de recuperação de calor do gás de combustão produzido pelos reagentes de combustão através da utilização de um recuperador radiativo com um risco reduzido de falha de segurança catastrófica pelo contato direto do reagente de combustão pré-aquecido com o gás de combustão.

[37] Mais especificamente, o oxidante e combustível, incluindo o oxidante pré-aquecido e/ou combustível pré- aquecido, são queimados por um ou mais queimadores montados em um forno, assim produzindo um fluxo de gás de combustão quente. O fluxo de gás de combustão quente está contido em um duto para a evacuação do gás de combustão quente do forno.

[38] Em um ou mais lados do, ou envolvendo o, duto está uma parede isolante feita de isolante refratário. No caso de uma parede isolante envolvendo o duto, um espaço de gás não reativo (opcionalmente em comunicação fluida com o ar ambiente) está disposto entre uma superfície exterior do duto e uma superfície interior da parede isolante. No caso de uma parede isolante em um ou mais lados do duto, um ou mais espaços de gás não reativo correspondentes (opcionalmente em comunicação fluida com o ar ambiente) está(ão) disposto(s) entre uma superfície exterior do duto e uma superfície interior da(s) parede(s) isolante(s) correspondente(s). Uma lista não limitativa de tipos de gases não reativos inclui ar, dióxido de carbono, vapor de água e/ou nitrogênio.

[39] Em qualquer caso, uma pluralidade de tubos metálicos se estende através do(s) espaço(s) de gás não reativo e contém fluxos de combustível gasoso ou oxidante rico em oxigênio para ser pré-aquecido. Calor proveniente do gás de combustão quente é transferido radiativamente (e é transferido por convecção em um grau inferior) para o duto. Como meio primário de radiação, calor proveniente do duto é transferido radiativamente através do(s) espaço(s) de gás não reativo para os tubos metálicos. Calor é também transferido radiativamente através do(s) espaço(s) de gás não reativo para as paredes isolantes, que atuam como meio secundário de radiação, radiando o calor de volta para os tubos metálicos. Para melhorar a transferência de calor, uma ou mais porções do duto opostas aos tubos metálicos e à parede isolante, isto é, limites de um espaço de gás não reativo, são constituídas por um material que apresenta uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K), preferencialmente superior a 3 W/(m·K). O material que apresenta uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e preferencialmente superior ao material que apresenta uma condutividade térmica superior a 3 W/(m·K), pode ser uma cerâmica ou material metálico. Um perito na técnica irá reconhecer que uma tal condutividade térmica é significativamente superior àquela de materiais isolantes refratários convencionais usados para construir ou envolver dutos de gás de combustão e para prevenir o sobreaquecimento do ambiente em torno do duto de gás de combustão. O calor radiado através do espaço de gás não reativo proveniente do duto e das paredes isolantes para os tubos metálicos é por sua vez transferido por convecção para os fluxos do combustível gasoso ou oxidante rico em oxigênio contido nos tubos. Por uma ou mais porções, pretendemos dizer que a totalidade do duto pode ser constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) ou menos do que a totalidade do duto pode ser constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). As vantagens de um duto que tem apenas uma ou mais porções (e não a totalidade) constituídas por um tal material serão descritas abaixo.

[40] Em contraste com a técnica de pré-aquecer o reagente de combustão de US 6,250,916 (utilizando uma ventilador para criar um fluxo de ar frio para pré-aquecimento em um recuperador metálico e utilização como fluido intermediário de troca de calor), não está presente qualquer soprador, ventilador, propulsor, compressor ou equipamento semelhante para mover ar com o propósito de forçar um fluxo de ar através dos tubos metálicos no(s) espaço(s) de gás não reativo para conseguir transferência de calor convectiva otimizada entre o ar aquecido e os tubos metálicos. Em vez disso, o ar está normalmente estático na técnica inventiva de transferência de calor e opcionalmente é deixado fluir para dentro e para fora do espaço contido pelo duto e isolamento refratário. De fato, se o ar ambiente entrar no espaço de gás não reativo por uma altura relativamente mais baixa e o ar aquecido puder sair do espaço de gás não reativo por uma altura relativamente mais alta, pode ser criada uma corrente natural devido ao aumento da flutuabilidade do ar após ser aquecido dentro do espaço de gás não reativo. Assim, um perito na técnica irá reconhecer que o ar da técnica inventiva de transferência de calor não é normalmente usado como um meio de permuta de calor para transferência convectiva de calor. Contudo, um soprador ou ventilador pode ser usado opcionalmente para forçar um fluxo de ar para dentro e para fora do espaço de gás não reativo com o propósito de purgar o(s) espaço(s) de gás não reativo em caso de ser detectada, ou de se acreditar estar presente, uma fuga de oxidante de combustão ou combustível de combustão para dentro do(s) espaço(s) de gás não reativo. De modo semelhante, um soprador ou ventilador pode ser usado opcionalmente para forçar um fluxo de ar par dentro ou para fora do espaço de gás não reativo no caso de ser necessário resfriar os tubos metálicos na eventualidade de uma perturbação na temperatura do processo. Em qualquer destes dois casos, um perito na técnica reconhecerá que o uso rotineiro de um tal soprador ou ventilador não se destina a efetuar transferência convectiva de calor entre o duto e os tubos metálicos usando o ar no(s) espaço(s) de gás não reativo como meio de permuta de calor. Também,

[41] O gás de combustão é produzido em um forno que inclui um espaço de combustão cercado por uma parede de forno na qual são montados um ou mais queimadores. Os queimadores injetam o combustível pré-aquecido e/ou o oxidante pré- aquecido no espaço de combustão onde eles são queimados para produzir o gás de combustão. Como o oxidante e/ou combustível é pré-aquecido, a quantidade necessária de combustível a queimar para produzir uma quantidade equivalente de calor dentro do forno é menor. Os queimadores podem injetar combustível não pré-aquecido e oxidante pré-aquecido, combustível pré-aquecido e oxidante não pré-aquecido ou ambos combustível pré-aquecido e oxidante pré-aquecido. No caso de um forno de fusão, estão tipicamente presentes um a dezoito queimadores. Mais particularmente, estão tipicamente presentes dezoito queimadores em um forno de fusão de vidro relativamente maior e estão presentes tipicamente 2 queimadores em um forno para vidro do tipo de porta na extremidade.

[42] No caso de combustível pré-aquecido (que é pré-aquecido nos tubos metálicos do recuperador da invenção), ele é gasoso, tal como gás natural, biogás, gás de carvão, gás de síntese ou gás com baixo poder calorífico. Para combustíveis que não são pré-aquecidos nos tubos metálicos do recuperador da invenção, tais combustíveis podem estar à temperatura ambiente ou ser pré-aquecidos por uma técnica diferente e incluir combustíveis sólidos (tais como carvão, coque de petróleo, biomassa ou resíduos), combustíveis líquidos (tais como fuelóleo) e combustíveis gasosos (tais como gás natural, biogás, gás de carvão, gás de síntese ou gás de baixo poder calorífico).

[43] No caso de um oxidante pré-aquecido nos tubos metálicos do recuperador da invenção, ele tem um teor em oxigênio superior ao do ar, tal como ar enriquecido em oxigênio, oxigênio industrialmente puro, uma mistura de oxigênio industrialmente puro e gás de combustão recirculado ou uma mistura de oxigênio industrialmente puro e dióxido de carbono. O ar enriquecido em oxigênio é tipicamente obtido através da mistura de ar com oxigênio industrialmente puro ou através da mistura de oxigênio industrialmente puro com nitrogênio industrialmente puro. O oxigênio industrialmente puro é oxigênio que é obtido a partir de uma unidade criogênica de separação de ar, uma unidade de adsorção de oscilação de vapor (VSA) ou um vaporizador alimentado com oxigênio líquido a partir de um reservatório de oxigênio líquido. A seleção do tipo específico de fonte de oxigênio vai depender da taxa de fluxo requerida pelos queimadores para o forno em causa. Tipicamente, o teor global de oxigênio da totalidade de todos os oxidantes injetados pelo(s) queimador(es) do forno é pelo menos de 24%, mais particularmente, pelo menos 29%. Para oxidantes (queimados pelo queimador ou por um ou mais dos queimadores do forno) que não são pré-aquecidos nos tubos metálicos do recuperador da invenção, tais oxidantes podem estar à temperatura ambiente ou ser pré-aquecidos por uma técnica diferente e incluir ar, ar enriquecido em oxigênio, oxigênio industrialmente puro, uma mistura de oxigênio industrialmente puro e gás de combustão recirculado ou uma mistura de oxigênio industrialmente puro e dióxido de carbono, como descrito acima.

[44] O gás de combustão é descarregado do espaço de combustão para um duto cerâmico ou de liga onde sua energia térmica é usada para pré-aquecer o combustível ou oxidante, como descrito acima. O gás de combustão pode ser recebido diretamente dentro do duto a partir do espaço de combustão ou o gás de combustão pode atravessar um canal intermediário comunicando de modo fluido entre o espaço de combustão e o interior do duto. O gás de combustão está tipicamente a uma temperatura de 600°C a 1 550 °C. Embora ele seja constituído principalmente por CO2, umidade e N2, ele pode incluir materiais corrosivos tais como vapores alcalinos produzidos por fornos para vidro ou substâncias corrosivas produzidas por fornos de fusão de metal, a corrosão do forno pode ocorrer quando tais vapores condensam nas superfícies do forno. Um perito na técnica vai compreender que tais vapores alcalinos incluem, tipicamente, NaOH e KOH. Tal como sumarizado por Kobayashi, as reações dos vapores alcalinos com o tijolo de sílica (especialmente o aglomerante de volastonita) na coroa do forno. Kobayashi, et al. "TCF Technology for Oxy-Fuel Glassmelting" (Parte Um), American Ceramic Society Bulletin, Vol. 84, N.º 2 (fevereiro de 2005). O gás de combustão pode também conter uma quantidade de combustível não queimado.

[45] O gás de combustão produzido no espaço de combustão é recebido em uma extremidade do duto e descarregado em uma extremidade oposta do duto. A seção transversal do duto pode ser configurada com qualquer forma geométrica regular, incluindo, mas não estando limitada a, um círculo, uma oval, um retângulo e um quadrado.

[46] Como acima mencionado, a uma ou mais porções do duto opostas aos tubos metálicos e a uma parede isolante são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K), preferencialmente superior a 3 W/(m·K). Materiais adequados incluem cerâmicas e ligas metálicas. No presente contexto, o termo "cerâmica” é usado no sentido lato e refere-se a sólidos inorgânicos não metálicos que permanecem no estado sólido e não se tornam macios nem derretem quando aquecidos às temperaturas que ocorrem no forno. O termo "material cerâmico" tal como aqui é usado inclui também, consequentemente, cerâmicas no sentido estrito, isto é; sólidos inorgânicos não metálicos que foram submetidos a altas temperaturas (tais como, por exemplo, acima de 1 100°C) – também referido como cozimento - durante o fabrico e que, uma vez fabricados, permanecem no estado sólido e não se tornam macios nem derretem quando aquecidos às temperaturas que ocorrem no forno. Um perito na técnica reconhecerá que tais materiais incluem refratários desde que refratários feitos essencialmente de cerâmicas tais como aluminas, silicatos, carboneto de silício, zircônias, etc. Cerâmicas particularmente adequadas incluem concretos refratários e concretos refratários fundidos que têm um teor de SiC relativamente elevado (tal como, por exemplo, 30% ou pelo menos 70%) ou cerâmicos sinterizados tais como SiC ligado a nitreto. Outros materiais cerâmicos adequados incluem, mas não estão limitados a, alumina refratária fundida, silicatos de alumina-zircônia refratários fundidos. Ligas metálicas adequadas incluem, mas não estão limitadas a, Kanthal e as de elevado teor de Ni- Cr tais como 310ss, Incoloy 800/825 e Inconel 600/625.

[47] A condutividade térmica relativamente elevada permite que o calor seja satisfatoriamente transferido, através de transferência de calor radiativo, entre a porção e os tubos metálicos e entre a porção e a parede isolante e por transferência de calor convectiva entre os tubos metálicos e o reagente de combustão que flui nos tubos metálicos. Como acima mencionado, não é necessário que a totalidade do duto seja feita de material cerâmico ou metálico com a condutividade térmica mínima especificada.

Alternativamente, algumas porções do duto podem ser constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) enquanto as restantes porções do duto, e em particular aquelas que não estão voltadas para os tubos metálicos ou que não são adjacentes aos tubos metálicos, podem ser feitas de um material que tem uma condutividade térmica igual ou inferior a 1 W/(m·K). Porções do duto constituídas por materiais que têm uma condutividade térmica igual ou inferior a 1 W/(m·K) podem também estar dispostas em áreas do duto de temperatura muito elevada (isto é, 1 250 °C ou mais) porque o aumento da radiação de calor a estas temperaturas elevadas pode ajudar a compensar a condutividade relativamente mais baixa.

Isto pode ser vantajoso se o material das porções restantes do duto, que tem uma condutividade térmica igual ou inferior a 1 W/(m·K) for menos dispendioso do que o material que tem uma condutividade térmica mais alta (isto é, superior a 1 W/(m·K)) ou se tiver alguma outra vantagem comparativamente ao material de condutividade térmica mais alta.

Como exemplo concreto, se apenas um comprimento relativamente curto dos tubos metálicos necessitar de estar em relação de transferência de calor radiativa com o duto para pré-aquecer suficientemente o oxidante ou combustível, apenas aquelas porções do duto que estão voltadas para o comprimento relativamente curto necessitam ser feitas do material que tem a condutividade térmica requerida.

Desta forma, as restantes porções do duto que não estão em relação de transferência de calor radiativa com os tubos metálicos não necessitam ser feitas do material que tem a condutividade térmica requerida. Adicionalmente, se porções do duto que não são opostas ao(s) tubo(s) metálico(s) forem feitas de um material que tem uma condutividade térmica inferior a 1 W/(m·K), um tal material vai ajudar a evitar o sobreaquecimento das zonas envolventes do duto. Assim, uma tal configuração seria relativamente mais segura.

[48] Embora o material das porções do duto que têm a condutividade térmica requerida não esteja limitado a cerâmicas, comparadas com ligas metálicas, as cerâmicas têm as seguintes vantagens. Os peritos na técnica de permuta de calor recuperativa reconhecerão que a resistência à corrosão apresentada por materiais cerâmicos pode ser significativamente superior a uma grande variedade de metais. Isto é importante porque, se a porção do duto com a condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) fosse, ao invés, constituída por um material metálico, ela poderia tornar-se provavelmente, de um modo geral, porosa a uma taxa muito mais alta. Isto iria inevitavelmente levar a um desenvolvimento prematuro de um fluxo de gás de combustão para o interior do intervalo de ar e ao ataque corrosivo nos tubos metálicos que transportam o reagente de combustão. Se os tubos forem corroídos de modo semelhante, pelo contato com o gás de combustão corrosivo e a alta temperatura, ao ponto de se tornarem não estanques ao gás, o risco de uma falha de segurança catastrófica aumenta. Uma falha de segurança catastrófica pode ocorrer quando o combustível a alta temperatura (através do pré-aquecimento) é queimado de uma maneira não controlada entre o duto e os tubos metálicos ou dentro do duto com qualquer oxigênio residual presente no gás de combustão. Uma falha de segurança catastrófica pode também ocorrer quando o oxidante a alta temperatura (através do pré-aquecimento) é queimado de uma maneira não controlada entre o duto e os tubos metálicos ou dentro do duto com qualquer combustível não queimado ou não totalmente queimado presente no gás de combustão. Uma vez mais, se a porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) fosse constituída por um material metálico em vez de um material cerâmico, embora uma tal porção metálica pudesse ser substituída frequentemente para evitar a tal falha de segurança acima mencionada, isso representa uma interrupção no processo e é relativamente dispendioso. Ademais, embora alguns metais apresentem algum grau de resistência à corrosão, tal como o Hastelloy, tais metais são geralmente significativamente mais caros do que outros metais normalmente usados em permutadores de calor recuperativos. Em contraste com porções com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) feitas de material metálico, a resistência à corrosão relativamente maior apresentada por muitos materiais cerâmicos permite que o duto seja usado por um tempo relativamente longo antes da substituição da porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). Realmente, com base na bem-estabelecida resistência à alta temperatura, os ambientes corrosivos apresentados pela maioria dos materiais cerâmicos em contraste com a maioria dos materiais metálicos, acreditamos que o tempo de vida útil da porção cerâmica com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) será múltipla do tempo de vida útil de uma hipoteticamente feita de um material metálico.

[49] Por outro lado, ligas metálicas apresentam algumas vantagens normalmente não apresentadas por cerâmicas. As ligas metálicas são mais baratas do que muitos materiais cerâmicos. As ligas metálicas são mais fáceis de fabricar porque elas podem ser facilmente formadas ou dobradas. Os dutos feitos de ligas metálicas são mais fáceis de combinar com outros componentes que são também de metal. Em comparação com cerâmicas, as ligas metálicas apresentam um risco mais baixo de quebra durante o manuseio e, portanto, tornam o manuseio mais fácil durante a construção do duto.

[50] O diâmetro exterior (OD), o diâmetro interior (ID) e a espessura da parede da porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) vai depender da taxa de fluxo e da temperatura do gás de combustão, taxa de fluxo do reagente de combustão, e da temperatura até à qual se pretende pré- aquecer o reagente de combustão. Para manter uma integridade mecânica satisfatória do duto, a espessura de parede é, tipicamente, de cerca de 1 a 10 cm.

[51] Uma pluralidade de tubos metálicos está disposta em torno do duto com intervalos entre a porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e os tubos, entre cada um dos tubos, e entre os tubos e a(s) correspondente(s) parede(s) isolante(s). Os tubos metálicos transportam o reagente de combustão através da porção de permuta de calor recuperativa do sistema onde eles são pré-aquecidos através de transferência de calor com o gás de combustão. Os tubos são feitos de um material metálico em que exemplos não- limitativos incluem aço inoxidável 304, aço inoxidável 310, ligas de níquel e qualquer uma da série Inconel (tal como 600 ou 625). Os tubos são estanques ao gás. Pretendemos com isto dizer que os tubos não permitem fugas do gás não reativo do exterior dos tubos para o interior dos tubos para se misturar com o reagente de combustão nem permitem fugas do reagente de combustão para fora dos tubos para se misturar com o gás não reativo no exterior dos tubos. Os fluxos de oxidante (ou combustível) pré-aquecido de todos os tubos podem ser combinados para dar um único fluxo pré-aquecido de oxidante (ou combustível). Alternativamente, os fluxos individuais de oxidante (ou combustível) pré-aquecido podem ser mantidos separados e não combinados. Ainda em uma outra alternativa, fluxos de oxidante (ou combustível) pré- aquecido de dois ou mais dos tubos (mas de menos que todos os tubos) podem ser combinados. O OD, diâmetro interno ID, e espessura de parede dos tubos vai depender da quantidade de tubos utilizados para uma dada taxa de fluxo e temperatura do gás de combustão, a temperatura até à qual se deseja pré- aquecer o reagente de combustão, e o OD, ID e espessura de parede da porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K).

[52] Como acima discutido, os tubos metálicos e a porção de cerâmica ou metálica com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) podem estar envoltos por uma parede isolante, que serve como meio secundário de radiação. Neste caso, embora a seção transversal da parede isolante seja tipicamente da mesma forma geométrica regular que a da porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K), ela não precisa sê-lo. Neste mesmo caso, tipicamente, a seção transversal de ambas a parede isolante e a porção com condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) são configuradas como um quadrado, como um retângulo ou como um círculo.

[53] Também como acima discutido, pode haver duas ou mais paredes isolantes cada uma das quais está disposta em um lado respectivo do duto com um espaço de gás não reativo associado (através do qual um ou mais da pluralidade dos tubos se estende) disposto entre um dado par de uma parede isolante e respectivo lado do duto que compreende uma porção com uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K). Esta modalidade oferece a vantagem de uma manutenção mais fácil e funcionamento contínuo do forno no caso em que menos que todos os tubos metálicos ou apenas um dos tubos metálicos necessita(m) ser substituído(s) ou reparado(s). Ao invés de ter de se interromper a operação do forno e remover uma parede isolante circundando todos os tubos metálicos apenas para remover ou substituir um ou menos que todos os tubos, apenas a parede isolante adjacente ao(s) tubo(s) metálico(s) específico(s) que necessita(m) reparação ou substituição precisa ser removida.

Desta forma, as outras paredes isolantes podem permanecer no lugar e a operação do forno não necessita ser interrompida.

Um perito na técnica reconhecerá que pode haver muitas variantes da modalidade acima mencionada.

Por exemplo, o duto pode ter uma configuração de seção transversal quadrada tendo quatro lados, em que está disposta uma parede isolante em uma relação espaçada com um dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendendo através de um espaço de gás não reativo respectivo entre a parede isolante/lado de duto associado.

Em um outro exemplo, o duto pode ter uma configuração de seção transversal quadrada tendo quatro lados, em que

- uma primeira parede isolante está disposta adjacente a e espaçada de um primeiro dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um primeiro espaço de gás não reativo entre a primeira parede isolante e o primeiro lado, - uma segunda parede isolante está disposta adjacente a e espaçada de um segundo dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um segundo espaço de gás não reativo entre a segunda parede isolante e o segundo lado, - uma terceira parede isolante está disposta adjacente a e espaçada de um terceiro dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um terceiro espaço de gás não reativo entre a terceira parede isolante e o terceiro lado, e - uma quarta parede isolante está disposta adjacente a e espaçada de um quarto dos lados e um ou mais dos tubos metálicos se estendem através de um quarto espaço de gás não reativo entre a quarta parede isolante e o quarto lado, Um perito na técnica reconhecerá ainda que apenas dois ou apenas três dos lados de duto podem ter paredes isolantes associadas dispostas adjacentes a eles em uma relação espaçada.

[54] Por razões de segurança, a parede externa é constituída por um material isolante, de modo a que a energia térmica não seja perdida e equipamento, processos, e pessoas exteriores à parede externa não estejam expostos a ambientes com altas temperaturas. O OD, ID, espessura e material de construção da parede externa vai depender da temperatura e taxa de fluxo do gás de combustão através do duto e da quantidade de calor transferido para o reagente de combustão. Tipicamente, a distância entre a superfície exterior do duto e a superfície interior do isolamento é de 10 cm ou menos.

[55] O processo de transferência de calor funciona do modo seguinte. O calor é transferido do gás de combustão para o duto principalmente por transferência de calor radiativa. Atuando como um meio de calor radiativo, a porção com condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) do duto transfere então calor para os tubos metálicos principalmente por transferência de calor radiativa através do(s) espaço(s) de gás não reativo entre o duto e os tubos. O calor é também transferido do duto para as paredes isolantes por transferência de calor radiativa através do(s) espaço(s) de gás não reativo entre o duto e as paredes isolantes. Também atuando como um meio de calor radiativo, as paredes isolantes então radiam calor de volta para os tubos metálicos. Finalmente, é transferido calor dos tubos para o reagente de combustão (seja oxidante rico em oxigênio, seja combustível gasoso) principalmente por transferência de calor por convecção.

[56] A técnica de transferência de calor acima mencionada pode se distinguir de métodos convencionais de transferência de calor no campo da invenção, tais como os da US 9,618,203.

[57] Em métodos convencionais de transferência de calor e tal como é melhor mostrado na FIG 15A, o calor é transferido por radiação (Qr) do gás de combustão FG para um tubo T feito de metal. O calor é então transferido através da largura do tubo T por condução (Qcond). O calor é então transferido para o ar HA para pré-aquecimento por convecção (Qconv). As fugas de calor são reduzidas pela colocação do isolamento I.

[58] Na invenção e como é melhor mostrado na FIG 15B, o calor é transferido do gás de combustão FG para um duto D (pelo menos porções do qual têm uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K)) por radiação (Qr). O calor é então transferido através de uma largura do duto D por condução (Qcond). O calor é então transferido do duto D através do espaço de gás não reativo NRG para um tubo metálico MP por radiação (Qr). O calor é então transferido através da parede do tubo metálico MP por condução (Qcond) e daí para o reagente de combustão CR que flui pelo tubo metálico MP por convecção (Qconv). Como os tubos metálicos MP não bloqueiam completamente o caminho desde o duto D para a parede isolante IW, o calor é também transferido a partir do duto D para a parede isolante por radiação (Qr). O calor é, portanto, também transferido da parede isolante através do espaço de gás não reativo NRG para a outra parede do tubo metálico MP por radiação (Qr). O calor é subsequentemente transferido através da largura dessa parede do tubo metálico MP por condução (Qcond) e daí para o reagente de combustão CR por convecção (Qconv).

[59] Quando perante a técnica da US 9,618,203, um perito na técnica teria considerado ser desvantajoso incluir um duto entre o gás de combustão FG e o tubo T. Isto porque a inclusão de um duto iria diminuir significativamente a eficiência da transferência de calor do gás de combustão FG para o ar para pré-aquecimento HA. Na invenção, por haver abundância de energia térmica no gás de combustão FG disponível para transferência final para o reagente de combustão CR e por haver uma preocupação crescente com a segurança, a diminuição significativa na eficiência da transferência de calor do gás de combustão FG finalmente para o reagente de combustão CR é considerada aceitável.

[60] Iremos agora discutir várias modalidades estruturais do novo forno e recuperador.

[61] Como é melhor mostrado na FIG 4, os fluxos do primeiro reagente de combustão 105 tais como oxidante rico em oxigênio (ou combustível gasoso) e um segundo, pré-aquecido, reagente de combustão 103 tal como combustível gasoso (ou oxidante rico em oxigênio) são divididos em múltiplos subfluxos e recebidos por uma pluralidade de queimadores 101 montados em uma parede de um forno 100. Os reagentes de combustão são queimados pelos queimadores 101 dentro de um espaço de combustão no forno 100 para produzir um fluxo de gás de combustão FG. O fluxo de gás de combustão é transportado para um recuperador 107 (opcionalmente através de um canal 109) onde é transferido calor do gás de combustão FG a uma temperatura relativamente mais elevada para o fluxo de temperatura (por exemplo, ambiente) relativamente inferior do segundo reagente de combustão, não pré-aquecido 109, assim produzindo o fluxo do segundo reagente de combustão, pré- aquecido 103. Um perito na técnica reconhecerá que, quando o primeiro reagente de combustão 105 for oxidante rico em oxigênio, o segundo reagente de combustão 109 é combustível gasoso. Um tal perito reconhecerá também que, quando o primeiro reagente de combustão 105 for combustível, o segundo reagente de combustão 109 é oxidante enriquecido em oxigênio. Um tal perito reconhecerá ainda que o fluxo do primeiro reagente de combustão 105 pode também ser pré-aquecido no recuperador 107 antes de ser introduzido nos queimadores 101 da mesma maneira que o fluxo do segundo reagente de combustão

109. Isto pode realizar-se no mesmo recuperador 107 ou em um segundo recuperador separado (não mostrado). Finalmente, no caso de o primeiro reagente de combustão 105 ser combustível (que não é pré-aquecido no recuperador 107), ele pode opcionalmente ser pré-aquecido usando qualquer técnica conhecida no campo de combustão usando combustíveis pré- aquecidos.

[62] Como melhor ilustrado na FIG 5, o recuperador 107 inclui um duto 1 feito pelo menos parcialmente de um material de acordo com a descrição acima que está envolto por uma parede isolante 3 de acordo com a descrição acima. O duto 1 encerra um espaço FG através do qual o gás de combustão flui. Um espaço de gás não reativo 5 é constituído pelo espaço anelar entre uma superfície interior da parede isolante 3 e o duto

1. Uma pluralidade de tubos metálicos 7 (transportando o reagente de combustão para ser pré-aquecido) se estende através do espaço de gás não reativo 5. A parede isolante 3 é concêntrica com a porção 1 e ambas têm uma configuração de seção transversal circular. Um perito na técnica reconhecerá que ambos a parede isolante 3 e o duto 1 podem ter uma configuração de seção transversal oval. O espaço de gás não reativo 5 não necessita estar fechado em um topo e fundo do recuperador 107 caso em que o ar comunica livremente entre a atmosfera ambiente e o espaço de gás não reativo 5. Alternativamente, para proporcionar transferência de calor mais eficaz do duto 1 para os tubos metálicos 7, no topo e no fundo do recuperador 107, a parede isolante 3 pode estender-se sobre e sob o espaço de gás não reativo 5 para desse modo encerrar eficazmente o espaço de gás não reativo 5 de forma a que o gás não reativo contido dentro fique estático (isto é, normalmente ele não pode sair do espaço de gás não reativo 5). No entanto, uma ou mais aberturas (tais como no topo e no fundo) podem ser formadas na parede isolante 3 para permitir que o ar ambiente flua livremente para dentro e para fora do espaço de gás não reativo 5. Um perito na técnica reconhecerá que podem ser formadas aberturas no topo e no fundo da parede isolante 3 para permitir que os tubos metálicos 7 se estendam através delas.

[63] Como melhor mostrado na FIG 6, o recuperador 107 inclui um duto 11 feito pelo menos parcialmente de um material de acordo com a descrição acima que está envolto por uma parede isolante 13 de acordo com a descrição acima. O duto 11 encerra um espaço FG através do qual o gás de combustão flui. Um espaço de gás não reativo 15 é constituído pelo espaço entre uma superfície interior da parede isolante 13 e o duto

11. Uma pluralidade de tubos metálicos 17 (transportando o reagente de combustão para ser pré-aquecido) se estende através do espaço de gás não reativo 15. Como o duto 11 e a parede isolante 13 têm cada um quatro lados, os tubos metálicos 17 são agrupados em quatro subgrupos para transferir o calor mais uniformemente do gás de combustão quente que flui através do duto 11 para o reagente de combustão que flui através dos tubos 17. A parede isolante 13 é concêntrica com o duto 11 na medida em que suas configurações de seção transversal partilham um centro comum, mas em contraste com a modalidade da FIG 4, ambos têm uma configuração de seção transversal quadrada. Desta forma, cada um dos quatro lados da parede isolante 13 é paralelo ao respectivo lado do duto 11 ao qual ele é adjacente. Um perito na técnica reconhecerá que ambos a parede isolante 13 e o duto 11 podem ter uma configuração de seção transversal retangular. Semelhante à modalidade da FIG 5, o espaço de gás não reativo 15 não necessita estar fechado em um topo e fundo do recuperador 107 caso em que o ar comunica livremente entre a atmosfera ambiente e o espaço de gás não reativo 15. Alternativamente, para proporcionar transferência de calor mais eficaz do duto 11 para os tubos metálicos 17, no topo e no fundo do recuperador 107, a parede isolante 13 pode estender-se sobre e sob o espaço de gás não reativo 15 para desse modo encerrar eficazmente o espaço de gás não reativo 15 de forma a que o gás não reativo contido dentro fique estático (isto é, normalmente ele não pode sair do espaço de gás não reativo 15). No entanto, uma ou mais aberturas (tais como no topo e no fundo) podem ser formadas na parede isolante 13 para permitir que o ar ambiente flua livremente para dentro e para fora do espaço de gás não reativo 15. Um perito na técnica reconhecerá que podem ser formadas aberturas no topo e no fundo da parede isolante 13 para permitir que os tubos metálicos 17 se estendam através delas.

[64] Como melhor ilustrado na FIG 7, o recuperador 107 inclui um duto 21 feito pelo menos parcialmente de um material de acordo com a descrição acima e uma parede isolante 23. Um tubo metálico 27 (de uma pluralidade de tubos metálicos 27) se estende através de um espaço de gás não reativo 25 entre o duto 21 e a parede isolante 23. O gás de combustão flui no interior FG do duto 21 enquanto o fluxo do reagente de combustão 29 flui através do tubo metálico 27. Similarmente às variantes descritas para as modalidades das FIGS 5 e 6, podem ser formadas uma ou mais aberturas O no fundo (e topo) do recuperador 107 para permitir que o ar A da atmosfera ambiente flua livremente para dentro e para fora do espaço de gás não reativo 25. As aberturas 29 são também formadas no duto 21 para permitir que o ar flua do espaço de gás não reativo 25 para o interior 22 do duto 21. É formado um vácuo ligeiro pela comunicação fluida entre o fluxo de gás de combustão e o ar A no espaço de gás não reativo 25 de um modo em que o ar A flui através das aberturas 29 do espaço de gás não reativo 25 para o interior FG. Mais particularmente, nenhum dispositivo mecânico, tal como um soprador ou ventilador, é operado continuamente para forçar um fluxo de ar A através do espaço de gás não reativo (considerando as exceções indicadas acima).

[65] Como é melhor mostrado na FIG 8, o recuperador 107 inclui um duto de quatro lados 31 que tem uma configuração de seção transversal quadrada. Ele também inclui quatro paredes isolantes 33, cada uma das quais está disposta adjacente a um dos quatro lados do duto 31 em relação espaçada. Entre cada par de um lado do duto 31 e uma respectiva parede isolante 3 há um espaço de gás não reativo associado 35. Embora os lados das paredes isolantes 33 (adjacentes aos quatro cantos do duto 31) estejam representados na FIG 8 como fechados, um perito na técnica reconhecerá que eles não precisam fechar completamente os espaços de gás não reativo 35. Cada uma das quatro paredes isolantes 33 é paralela a um lado respectivo dos quatro lados do duto 11 ao qual ele é adjacente.

[66] Na configuração da FIG 8, um perito na técnica reconhecerá ainda que cada emparelhamento de uma parede isolante individual 33 e um grupo particular de tubos metálicos 37 é fornecido com sua própria câmara (contendo o espaço de gás não reativo associado 35) que é definido por superfícies interiores da parede isolante 33 e a porção do duto 31 que está voltada para os tubos.

Uma tal configuração pode ser usada para pré-aquecer com mais segurança diferentes gases em diferentes grupos dos tubos metálicos 37. Por exemplo, um primeiro grupo de tubos metálicos 37 pode ser usado para pré-aquecer um oxidante enquanto um segundo grupo de tubos metálicos 37 pode ser usado para pré-aquecer um combustível.

Como o espaço de gás não reativo 35 associado ao primeiro grupo de tubos metálicos 37 está completamente fechado pela combinação da parede isolante 33 com a porção do duto 31 voltada para esse grupo de tubos 37, ele está isolado do espaço de gás não reativo associado ao segundo grupo de tubos metálicos 37 (que de modo similar está completamente fechado pela combinação de sua própria parede isolante associada 33 com a porção do duto associada 31 voltada para esse grupo de tubos 37). Assim, o risco de contaminação cruzada entre gases diferentes (tais como um oxidante e um combustível) sendo pré-aquecidos em grupos diferentes de tubos metálicos é reduzido na eventualidade de falha de um dos tubos metálicos 37. Deve notar-se que cada espaço de gás não reativo 35 não necessita estar completamente fechado acima e/ou abaixo do espaço de gás não reativo 35. Ao invés, cada espaço de gás não reativo 35 pode comunicar livremente com a atmosfera ambiente.

Desta forma, embora o risco de contaminação cruzada esteja reduzido, o risco de um acúmulo localizado de oxidante ou combustível dentro de um espaço de gás não reativo 35 é reduzido porque o espaço de gás não reativo 35 pode ser purgado passivamente pela corrente natural que é criada pelo aquecimento do espaço de gás não reativo 35 como acima descrito.

[67] Como está melhor ilustrado na FIG 9A, o recuperador 107 inclui uma parede isolante 43 e tubos metálicos 47 estendendo-se através de um espaço de gás não reativo 45 entre a parede isolante 43 e o duto (não ilustrado na FIG 9A). Em contraste com os recuperadores 107 representados nas outras FIGS, é proporcionado um painel de resfriamento 44 ao longo de uma superfície interior da parede isolante 43. O painel de resfriamento 44 inclui uma pluralidade de tubos de resfriamento 46 através dos quais flui um meio de resfriamento. Uma superfície do painel de resfriamento 44 que está voltada para dentro, para os tubos metálicos 47 pode estar munida de um revestimento de alta emissividade. Da maneira acima mencionada, na eventualidade de a temperatura do reagente de combustão aquecido nos tubos metálicos subir acima de um limite desejado, o meio de resfriamento flui através dos tubos de resfriamento 46 para remover algum do calor que de outra forma seria transferido para a parede isolante 43 e consequentemente baixa a temperatura do reagente de combustão pré-aquecido.

[68] Como é melhor mostrado na FIG 9B, o recuperador 107 inclui uma parede isolante 43 e tubos metálicos 47 estendendo-se através de um espaço de gás não reativo 45 entre a parede isolante 43 e o duto (não ilustrado na FIG 9B). Em contraste com os recuperadores 107 representados nas outras FIGS, é proporcionada uma série de tubos de resfriamento 46 entre os tubos metálicos 47 e a parede isolante 43 através dos quais flui um meio de resfriamento. Na eventualidade de a temperatura do reagente de combustão aquecido nos tubos metálicos subir acima de um limite desejado, o meio de resfriamento que flui através dos tubos de resfriamento 46 resfria o ar no espaço de gás não reativo entre o duto e a parede isolante 43, que por sua vez resfria os tubos metálicos 47 e consequentemente baixa a temperatura do reagente de combustão pré-aquecido. O efeito da remoção de calor pode ser opcionalmente melhorado fornecendo a série de tubos de resfriamento 46 com uma chapa metálica 48, desse modo aumentando a área de superfície através da qual ocorre o efeito de resfriamento.

[69] Como está melhor ilustrado na FIG 9C, o recuperador 107 inclui uma parede isolante 43 e tubos metálicos 47 se estendendo através de um espaço de gás não reativo 45 entre a parede isolante 43 e o duto (não ilustrado na FIG 9B). Em contraste com os recuperadores 107 representados nas outras FIGS, é proporcionado um tubo de resfriamento do ar 46 dentro de cada tubo metálico 47. Um meio de resfriamento flui através dos tubos de resfriamento do ar 46 de modo que, na eventualidade de a temperatura do reagente de combustão aquecido nos tubos metálicos subir acima de um limite desejado, o meio de resfriamento baixa a temperatura do reagente de combustão pré-aquecido que flui nos tubos metálicos 47.

[70] Como está melhor ilustrado na FIG 9D, o recuperador 107 inclui uma parede isolante 43 e tubos metálicos 47 estendendo-se através de um espaço de gás não reativo 45 entre a parede isolante 43 e o duto (não ilustrado na FIG 9A). Em contraste com os recuperadores 107 representados nas outras FIGS, é proporcionado um painel de transferência de calor 144 ao longo dos tubos metálicos 47. O painel de transferência de calor 144 é concebido com uma área de superfície relativamente grande de modo a absorver quantidades significativas de calor radiado pelo duto e a parede isolante 43 e subsequentemente transfere esse calor para os tubos metálicos 47 por condução de modo a melhorar o aquecimento do reagente de combustão.

[71] Como é melhor mostrado nas FIGS 10-12, o recuperador 107 inclui um duto cerâmico ou metálico 51 aberto em um seu topo e fundo de modo a comunicar fluidamente com o interior do forno 100, opcionalmente através do canal 109, e com o canal transportar o fluxo do reagente de combustão pré- aquecido 103. Como será detalhadamente explicado adiante, o duto 51 inclui porções que apresentam uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e outras porções que apresentam uma condutividade térmica inferior a 1 W/(m·K). Embora se compreenda que possam ser providas uma, duas, três ou quatro paredes isolantes 53 adjacentes a um, dois, três ou quatro lados do duto 51 que compreende uma tal porção, para fins de simplicidade e clareza, apenas é representado um lado do duto 51 como estando associado a uma parede isolante 53 nas FIGS 10-12. Uma pluralidade de tubos metálicos 57 se estendem através do espaço de gás não reativo (não ilustrados) entre a parede isolante 53 e o duto 51. Os tubos metálicos 57 são alimentados por um coletor de admissão 56, por sua vez alimentado por um canal de admissão 54 que transporta o reagente de combustão relativamente mais frio (por exemplo, à temperatura ambiente). O reagente de combustão pré- aquecido é recolhido dos tubos metálicos 57 por um coletor de saída 56' e recolhido do coletor de saída 56' pelo canal de saída 54'. Tal como acima descrito, a modalidade das FIGS 10-12 tem a vantagem de o forno não necessitar ser desligado para reparação ou substituição de menos que todos os tubos metálicos 57. Ao invés, um operador necessita apenas remover a parede isolante 53 particular adjacente ao(s) tubo(s) metálico(s) 57 que se deseja(m) reparar ou substituir enquanto o recuperador 107 continua a funcionar normalmente.

[72] A FIG 11 difere da FIG 10 na medida em que a parede isolante 53 está removida para revelar as porções 58 do duto 51 que são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) enquanto FIG 12 difere adicionalmente na medida em que as extensões intermédias dos tubos metálicos 57 não estão ilustradas. Cada uma destas porções 58 que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) pode ser inserida de modo removível em uma abertura associada 58' no duto 51. Enquanto a totalidade do duto 51, incluindo ambas as porções 58 e as restantes porções (não numeradas por razões de clareza) podem cada uma ser constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K), a modalidade das FIGS 10-12 é especialmente vantajosa quando apenas as porções 58 são constituídas por um tal material e as restantes porções são constituídas por um material que tem condutividade térmica inferior a 1 W/(m·K). Esta é uma vantagem especial de um duto cerâmico (em comparação com um duto metálico) porque pode ser expectável que o material de condutividade relativamente mais baixa de grande parte do duto cerâmico 51 apresente maior capacidade, em contraste com o material das porções 58, para suportar contato prolongado com o gás de combustão relativamente quente fluindo no interior do duto cerâmico 51 sem se tornar poroso, e consequentemente, apresentar maior capacidade para prevenir que um fluxo de gás de combustão quente, durante um período prolongado de tempo, entre dentro do espaço de gás não reativo entre a parede isolante 53 e o duto cerâmico 51. Por outro lado, como a seleção disponível de materiais cerâmicos apresentando uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) pode ser relativamente limitada, na eventualidade de tais materiais apresentarem uma capacidade reduzida para suportar contato prolongado com gás de combustão quente (em contraste com as restantes porções do duto cerâmico 51) sem se tornarem porosas, as porções 58 podem ser removidas e substituídas em intervalos regulares para melhor garantir que não ocorrerão fugas de gás de combustão quente para o espaço de gás não reativo. Isto pode também ser vantajoso na eventualidade de o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) ser relativamente mais caro do que o material que apresenta condutividade térmica mais baixa.

[73] Quando as porções 58 do duto 51 (que são constituídas por um material que tem condutividade térmica superior a 1 W/(m·K)) atingirem seu final de vida em serviço, as porções 58 podem ser facilmente substituídas removendo-as cuidadosamente pela abertura 58' associada e substituindo- as por uma nova porção 58 que não tenha sido exposta ao gás de combustão quente. A facilidade de substituição pode ser melhorada mantendo o peso de cada porção 58 em 50 kg ou menos. Isto pode ser conseguido ainda mais facilmente separando cada porção 58 em uma pluralidade de partes que são empilhadas umas sobre as outras na abertura associada 58'. Finalmente, cada porção 58 (ou parte individual) pode ser munida de uma ou mais pegas de elevação que permitem à porção 58 (ou parte individual) ser levantada mais facilmente e em segurança para dentro ou para fora de posição pela abertura associada 58'.

[74] São ilustradas três modalidades do recuperador inventivo nas FIGS 13A, 13B e 13C, respectivamente. Certas características (algumas opcionais) comuns a cada uma destas três modalidades são também ilustradas nas FIGS 14A-14D. Cada uma das três modalidades inclui um conjunto de quatro pilares estruturais 62. Entre cada par de pilares adjacentes se estende uma porção de duto 61 feita de material que tem a condutividade térmica requerida. As superfícies das faces interiores dos pilares 62 e das porções de duto 61 encerram um espaço FG através do qual o gás de combustão flui.

[75] Os pilares 62 proporcionam um suporte mecânico com o qual se fixam as porções de duto 61. Mais particularmente, uma superfície em degrau 72 em cada extremidade de uma porção de duto 61 encosta em uma superfície em degrau 74 correspondente disposta em um canto respectivo de um pilar adjacente 62. Como as superfícies em degrau 72 das porções de duto 61 encostam nas superfícies em degrau dos pilares 62, as porções de duto 61 são impedidas de cair no espaço FG através do qual o gás de combustão flui. As porções de duto 61 são também impedidas de se deslocarem lateralmente porque cada face de extremidade 89 de uma dada porção de duto 61 encosta na face lateral correspondente 88 de um pilar adjacente 62.

[76] Cada uma das modalidades do recuperador inventivo também inclui um conjunto de quatro paredes isolantes 63. Cada parede isolante 63 se estende paralela a uma das porções de duto 61 respectiva. Entre cada par de porção de duto 61 estendendo-se paralela e parede isolante 63 há um espaço de gás não reativo 65. Estendendo-se através do espaço de gás não reativo 65 há uma pluralidade de tubos metálicos 67 através dos quais um reagente de combustão (seja oxidante ou combustível) flui e dentro dos quais é pré-aquecido. Os espaços de gás não reativo 65 são preenchidos com um gás não reativo (tal como ar, dióxido de carbono, vapor de água e/ou nitrogênio).

[77] Cada parede isolante 63 tem um comprimento maior do que aquele do espaço de gás não reativo adjacente 65 de modo a encerrar o espaço de gás não reativo 65 entre uma superfície exterior da porção de duto adjacente 61, uma superfície interior da parede isolante 63 e faces laterais 88 dos pilares adjacentes 63. Cada parede isolante 63 inclui uma porção de extremidade periférica 76 de uma sua face interior que encosta em uma porção 78 de uma face exterior de um pilar adjacente 62. Embora cada parede isolante 63 possa ser retida em posição por qualquer técnica conhecida no campo da combustão ou transferência de calor, opcionalmente elas podem ser fixas nos pilares adjacentes 62 com suportes 68. Cada suporte 68 inclui um perno exterior 80 que encosta em uma porção 82 de uma face exterior de um pilar adjacente 62 e é fixado nesse pilar 62 com um dispositivo de fixação tal como um parafuso. Cada suporte 68 também inclui um perno interno 84 que encosta em uma porção 86 de uma face exterior de uma parede isolante adjacente 63 e retém por atrito a parede isolante 63 contra a porção 78. Desta maneira, cada parede isolante 63 é impedida de cair para dentro ou para fora do espaço de gás não reativo 65.

[78] Embora cada uma das porções de duto 61 possa ser fixada de modo a impedir que ela caia para dentro do espaço de gás não reativo adjacente 65 de uma qualquer maneira conhecida no campo da combustão ou transferência de calor, opcionalmente, pode ser parcialmente inserido um calço 90 em uma ranhura formada em uma face lateral 88 de um pilar adjacente 62. A porção do calço 90 que não está inserida na ranhura se estende sobre uma porção periférica de uma face exterior da porção de duto 61em questão de modo a evitar que essa porção de duto 61 caia para dentro do espaço de gás não reativo adjacente 65.

[79] As modalidades do recuperador das FIGS 13A-13C não estão limitadas a um único conjunto de quatro porções de duto 61. Em vez disso, e como melhor ilustrado na FIG 14C, uma pluralidade de porções de duto 61 podem ser empilhadas umas sobre as outras de modo a formar uma porção de duto combinada que se estende entre um par de pilares adjacentes 62. Embora as porções de duto 61 possam ser empilhadas de qualquer maneira conhecida no campo da combustão ou transferência de calor, como melhor mostrado na FIG 14D, uma projeção 94 de uma porção de fundo de uma primeira porção de duto 61 encaixa em uma cavidade correspondente 96 de uma segunda porção de duto 61 sob a primeira porção de duto. Este padrão é repetido para as outras porções de duto 61 de uma porção de duto combinada que se estende entre o par de pilares adjacentes

62.

[80] Opcionalmente e como melhor mostrado na modalidade da FIG 13B, uma pluralidade de tubos de resfriamento 70A se estende através do espaço de gás não reativo 65 adicionalmente aos tubos metálicos 67. Um fluido de resfriamento, tal como água ou ar ou nitrogênio, flui através dos tubos de resfriamento 70A de modo a ajudar a moderar o aquecimento do oxidante ou combustível nos tubos metálicos

67. Alternativamente, e como melhor ilustrado na modalidade da FIG 13C, ao invés de uma pluralidade de tubos de resfriamento 70A, um painel de resfriamento 70B se estende através do espaço de gás não reativo 65. O painel de resfriamento 70B é corrugado de modo a aumentar a área de superfície para receber o calor radiante. De modo semelhante aos tubos de resfriamento 70A da modalidade da FIG 13B, um fluido de resfriamento, tal como água ou ar, flui através do painel de resfriamento 70B de modo a ajudar a moderar o aquecimento do oxidante ou combustível nos tubos metálicos

67.

[81] Relativamente às modalidades das FIGS 13A-13C, durante a operação, são injetados combustível e oxidante de um ou mais queimadores montados em uma parede de forno de um forno em um espaço de combustão dentro de uma câmara de combustão encerrada por uma parede de forno do forno. O combustível e oxidante injetados são queimados no espaço de combustão para produzir energia térmica que é usada para aquecer vidro ou materiais para o fabrico de vidro sólidos e/ou fundidos ou metal sólido e/ou fundido e também produzir gás de combustão. Pelo menos um de entre combustível e oxidante é pré-aquecido.

[82] O gás de combustão é recebido da câmara de combustão em uma primeira extremidade do recuperador e descarregado de uma segunda extremidade, oposta, do recuperador. O gás de combustão flui através do espaço FG definido por superfícies interiores dos pilares 62 e porções de duto 61. O calor é permutado radiativamente entre o gás de combustão e as porções de duto 61. O calor é permutado entre as porções de duto 61 e o um ou mais tubos metálicos 67 por permuta de calor radiativa através do espaço de gás não reativo 65. É permutado calor entre o um ou mais tubos metálicos 67 e o combustível ou o oxidante fluindo através do(s) tubo(s) 67 por permuta de calor convectiva de modo a fornecer combustível pré-aquecido ou oxidante pré-aquecido, respectivamente. O combustível pré-aquecido ou o oxidante pré-aquecido é alimentado ao um ou mais queimadores para ser por eles injetado. Deve notar-se que não é necessário que todos os tubos metálicos 67 contenham fluxo de apenas oxidante ou apenas combustível. Em vez disso, um conjunto de tubos metálicos 67 de um espaço de gás não reativo 65 associado pode conter um fluxo de oxidante enquanto outro conjunto de tubos metálicos 67 de um espaço de gás não reativo 65 diferente, associado, pode conter um fluxo de combustível. Também, em um dado conjunto de tubos metálicos 67 em um dado espaço de gás não reativo 65, um ou mais dos tubos 67 pode(m) conter um fluxo de oxidante enquanto os tubos restantes 67 desse conjunto podem conter um fluxo de combustível.

[83] Embora a invenção tenha sido descrita em combinação com modalidades específicas da mesma, é evidente que muitas alternativas, modificações e variações sejam evidentes para aqueles versados na técnica em luz da descrição supracitada. Consequentemente, pretende-se abranger todas as tais alternativas, modificações e variações que estão no espírito e escopo amplo das reivindicações anexas. A presente invenção pode compreender adequadamente, consistir ou consistir essencialmente nos elementos revelados e pode ser praticada na ausência de um elemento não revelado. Adicionalmente, se há linguagem referente à ordem, como primeiro e segundo,

deve ser entendido em um sentido exemplificativo e não em um sentido limitante. Por exemplo, pode ser reconhecido por aqueles versados na técnica que certas etapas podem ser combinadas em uma etapa única.

[84] As formas singulares "um", "uma", "o”, "a” incluem referentes no plural, a menos que o contexto dite claramente de outro modo.

[85] “Que compreende" em uma reivindicação é um termo de transição aberto que significa que os elementos de reivindicação subsequentemente identificados são uma listagem não exclusiva, isto é, qualquer outra coisa pode ser adicionalmente incluída e permanecer dentro do escopo de "que compreende." "Que compreende" é definido no presente documento como abrangendo necessariamente os termos de transição mais limitados "que consiste essencialmente em" e "consiste em"; "que compreende" pode ser, portanto, substituído por "que consiste essencialmente em" ou "que consiste em" e permanece no escopo expressamente definido de "que compreende".

[86] "Fornecendo" em uma reivindicação é definido de modo a significar prover, abastecer, tornar disponível ou preparar algo. A etapa pode ser realizada por qualquer atuante na ausência de linguagem expressa na reivindicação em contrário.

[87] Opcional ou opcionalmente significa que o evento ou circunstâncias subsequentemente descritos podem ou não ocorrer. A descrição inclui casos em que o evento ou circunstância ocorre e casos em que não ocorre.

[88] As faixas podem ser expressas no presente documento como de cerca de um valor particular, e/ou a cerca de outro valor particular. Quando tal faixa é expressa, deve ser entendido que outra modalidade é de um valor particular e/ou ao outro valor particular, juntamente com todas as combinações na dita faixa.

[89] Todas as referências aqui identificadas são, cada uma, incorporadas por referência na sua totalidade neste pedido, assim como para a informação específica para a qual cada uma é citada.

Claims (31)

REIVINDICAÇÕES

1. Forno, que utiliza permuta de calor recuperativa para pré-aquecer um reagente de combustão com energia térmica desperdiçada de gás de combustão, caracterizado pelo fato de compreender: uma câmara de combustão incluindo um espaço de combustão cercado por uma parede de forno no qual um combustível e um oxidante são queimados para aquecer vidro ou materiais para fabrico do vidro, sólidos e/ou fundidos, ou metal sólido e/ou fundido, e produzindo, assim, gás de combustão; um ou mais queimadores montados na parede do forno adaptados e configurados para injetar combustível pré- aquecido e/ou oxidante pré-aquecido para o interior da câmara de combustão para combustão dentro desta; um duto se estendendo ao longo de um eixo e tendo uma primeira extremidade recebendo pelo menos uma porção do gás de combustão produzido na câmara de combustão e uma segunda extremidade oposta descarregando o gás de combustão recebido; uma ou mais paredes isolantes se estendendo paralelas ao eixo do duto e adjacentes a uma superfície exterior do duto, a parede isolante sendo compreendida por um material isolante, um espaço de gás não reativo estando definido entre uma superfície exterior do duto e uma superfície interior da parede isolante; e um ou mais tubos metálicos se estendendo através do espaço de gás não reativo, os tubos recebendo o oxidante de combustão ou o combustível de combustão e descarregando o oxidante de combustão ou o combustível de combustão após serem pré-aquecidos, em que uma ou mais porções do duto são constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K).

2. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o espaço de gás não reativo comunicar livremente com o ar ambiente e não ser usado qualquer dispositivo mecânico para criar um fluxo de ar através do espaço de gás não reativo.

3. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma fonte de combustível gasoso em comunicação fluida com os referidos um ou mais tubos.

4. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma fonte de oxidante em comunicação fluida com os referidos um ou mais tubos.

5. Forno, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o oxidante ser ar enriquecido em oxigênio, oxigênio industrialmente puro, uma mistura de oxigênio industrialmente puro e gás de combustão recirculado, ou uma mistura de oxigênio industrialmente puro e dióxido de carbono.

6. Forno, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a fonte de oxidante ser uma unidade criogênica de separação de ar, uma unidade de adsorção de oscilação de vapor ou um vaporizador alimentado com oxigênio líquido a partir de um reservatório de oxigênio líquido.

7. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada uma das referidas uma ou mais porções do duto constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) serem constituídas por um material cerâmico ou metálico.

8. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada uma das referidas uma ou mais porções do duto constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) serem um concreto refratário que tem um teor de SiC de pelo menos 70%.

9. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma totalidade do duto ser constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K).

10. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de algumas porções do duto serem constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e as restantes porções do duto serem constituídas por um material que tem uma condutividade térmica inferior ou igual a 1 W/(m·K).

11. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: o duto ser constituído por quatro pilares dispostos em quatro cantos respectivos do duto e quatro porções do duto, cada uma das quais se estende entre um par respectivo de pilares de modo a que uma primeira das quatro porções de duto seja paralela a uma terceira das quatro porções do duto e uma segunda das quatro porções do duto seja perpendicular à primeira das quatro porções do duto e paralela a uma quarta das quatro porções do duto; a uma ou mais paredes isolantes compreenderem,

correspondentemente, uma primeira, segunda, terceira e quarta paredes isolantes que se estendem paralelas à primeira, segunda, terceira e quarta porções de duto, respectivamente, de modo a definir um primeiro, segundo, terceiro e quarto espaços de gás não reativo, respectivamente; um primeiro conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estender através do primeiro espaço de gás não reativo; um segundo conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estender através do segundo espaço de gás não reativo; um terceiro conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estender através do terceiro espaço de gás não reativo; um quarto conjunto de um ou mais dos tubos metálicos se estender através do quarto espaço de gás não reativo; e cada uma das quatro porções de duto ser constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K).

12. Forno, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de: cada uma das paredes isolantes ser constituída por um material cerâmico que tem uma condutividade térmica inferior ou igual a 1 W/(m·K); e cada um dos pilares ser constituído por um material cerâmico que tem uma condutividade térmica inferior ou igual a 1 W/(m·K).

13. Forno, de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo fato de o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) ter uma condutividade térmica superior a 3 W/(m·K).

14. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o forno ser um forno para vidro e o combustível e o oxidante serem queimados para aquecer vidro ou materiais para o fabrico de vidro sólidos e/ou fundidos.

15. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o forno ser um forno para fundir metal e o combustível e o oxidante serem queimados para aquecer metal sólido e/ou fundido.

16. Método de permuta de calor recuperativa para pré-aquecer um reagente de combustão com energia térmica desperdiçada de gás de combustão produzido por um forno, caracterizado pelo fato de compreender: injetar combustível e oxidante de um ou mais queimadores montados em uma parede de forno de um forno, para um espaço de combustão dentro de uma câmara de combustão cercado pela parede de forno e queimar o combustível e o oxidante injetados no espaço de combustão, aquecendo assim vidro ou materiais para o fabrico de vidro, sólidos e/ou fundidos, ou metal sólido e/ou fundido, e produzindo gás de combustão, pelo menos um dentre o combustível e o oxidante sendo pré-aquecido; receber o gás de combustão em uma primeira extremidade de um duto se estendendo ao longo de um eixo, uma ou mais porções do duto sendo constituídas por um material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K);

descarregar o gás de combustão recebido a partir de uma segunda extremidade do duto; permutar calor entre o gás de combustão e o duto por permuta radiativa de calor; permutar calor entre o duto e um ou mais tubos metálicos por permuta radiativa de calor através de um espaço de gás não reativo cheio de gás não reativo, o um ou mais tubos metálicos se estendendo através do espaço de gás não reativo, o espaço de gás não reativo estando definido entre uma superfície exterior do duto e uma superfície interior de uma parede isolante que se estende paralela ao eixo do duto e adjacente à superfície exterior do duto; permutar calor entre o um ou mais tubos metálicos e combustível ou oxidante fluindo através dos tubos por permuta de calor convectiva para fornecer combustível pré- aquecido ou oxidante pré-aquecido; e alimentar o combustível pré-aquecido ou oxidante pré-aquecido ao um ou mais queimadores.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o gás não reativo ser ar, o espaço de gás não reativo comunicar livremente com o ar ambiente e não ser usado qualquer dispositivo mecânico para criar um fluxo de ar através do espaço de gás não reativo.

18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o combustível fluir através do um ou mais tubos e o combustível pré-aquecido ser alimentado ao um ou mais queimadores.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o oxidante fluir através do um ou mais tubos e o oxidante pré-aquecido ser alimentado ao um ou mais queimadores.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o oxidante ser ar enriquecido em oxigênio, oxigênio industrialmente puro, uma mistura de oxigênio industrialmente puro e gás de combustão recirculado, ou uma mistura de oxigênio industrialmente puro e dióxido de carbono.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o oxidante ser oxigênio industrialmente puro produzido por uma unidade criogênica de separação de ar, uma unidade de adsorção de oscilação de vapor ou um vaporizador alimentado com oxigênio líquido a partir de um reservatório de oxigênio líquido.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de uma totalidade de todo o oxidante alimentado ao um ou mais queimadores ter um teor de oxigênio de pelo menos 24% em volume.

23. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) ser um material cerâmico ou metálico.

24. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) ser um concreto refratário que tem um teor de SiC de pelo menos 30%.

25. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de uma totalidade do duto ser constituída pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K).

26. Método, de acordo com a reivindicação 16,

caracterizado pelo fato de algumas porções do duto serem constituídas pelo material que tem uma condutividade térmica superior a 1 W/(m·K) e as restantes porções do duto serem constituídas por um material que tem uma condutividade térmica inferior ou igual a 1 W/(m·K).

27. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o combustível fluir através dos tubos e o combustível pré-aquecido ser alimentado ao um ou mais queimadores.

28. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o combustível fluir através de alguns dos tubos, o oxidante fluir através de outros dos tubos e o combustível pré-aquecido e o oxidante pré-aquecido serem alimentados ao um ou mais queimadores.

29. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de uma temperatura do gás de combustão ser de 1100 a 1550 °C.

30. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o forno ser um forno para vidro e o combustível e o oxidante injetados serem queimados no espaço de combustão, aquecendo assim vidro ou materiais para o fabrico de vidro sólidos e/ou fundidos.

31. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o forno ser um forno para fundir metal e o combustível e o oxidante injetados serem queimados no espaço de combustão, aquecendo assim metal sólido e/ou fundido.