BR112020025032A2

BR112020025032A2 - queimador multifuncional, e, método para tratar material dentro de um cilindro de fusão

Info

Publication number: BR112020025032A2
Application number: BR112020025032-5A
Authority: BR
Inventors: Megha Jampani; Bryan R. Bielec; Joseph A. Maiolo; Stephen A. Manley; Larry E. Cates
Original assignee: Praxair Technology, Inc.
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2021-03-23
Also published as: JP2021527793A; JP7022851B2; PL3821172T3; EP3821172A1; US20200018479A1; CN112292566B; US11098894B2; EP3821172B1; WO2020013993A1; CN112292566A

Abstract

A invenção se refere a um queimador que é útil para fornecer uma chama de fusão cujo eixo geométrico pode ser alterado durante a operação, e para fornecer um jato supersônico de oxidante que pode penetrar através da superfície do material fundido, e que tem uma combinação única de características incluindo um colar de chama especialmente contornado em sua extremidade de descarga aberta.

Description

1 / 18 QUEIMADOR MULTIFUNCIONAL, E, MÉTODO PARA TRATAR

MATERIAL DENTRO DE UM CILINDRO DE FUSÃO CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a dispositivos como queimadores que são úteis para estabelecer e utilizar altas temperaturas para fundir material sólido como sucata metálica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A operação de equipamentos industriais de alta temperatura, como fornos a arco elétricos que são usados na produção de ferro e aço, bem como de outros tipos de fornos, frequentemente exige fusão de material sólido como sucata metálica. Visto que tais operações consomem quantidades substanciais de energia, existe um interesse contínuo em melhorar a eficiência dessas operações. A presente invenção fornece vantagens na fusão de material sólido e também no processamento subsequente do material fundido para produzir aço.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[003] Um aspecto da presente invenção é um queimador multifuncional que compreende: (A) um corpo que tem: uma passagem através do corpo que tem um eixo geométrico central, sendo que a passagem inclui uma seção convergente cônica, uma seção de gargalo, uma seção divergente cônica e uma seção divergente alargada, todas as quais são coaxiais com o eixo geométrico central, sendo que: a seção convergente cônica tem uma extremidade a montante aberta e uma extremidade a jusante aberta, sendo que a largura da seção divergente cônica diminui na direção de sua extremidade a jusante, sendo que a superfície interna da seção convergente forma um ângulo constante em relação ao eixo geométrico central, de preferência um ângulo de 2 graus a 30

2 / 18 graus; a seção de gargalo tem uma extremidade a montante aberta que é vedada na extremidade a jusante da seção convergente cônica, e uma extremidade a jusante aberta, e tem um diâmetro D que é constante entre suas extremidades a montante e a jusante; a seção divergente cônica tem uma extremidade a montante aberta que é vedada na extremidade a jusante da seção de gargalo e uma extremidade a jusante aberta, sendo que a largura da seção divergente cônica aumenta na direção de sua extremidade a jusante, sendo que a superfície interna da seção divergente cônica forma um ângulo constante em relação ao eixo geométrico central, de preferência um ângulo de 2 graus a 15 graus; a seção divergente alargada tem uma extremidade a montante aberta que é vedada na extremidade a jusante da seção divergente cônica e uma extremidade a jusante aberta, sendo que a largura da seção divergente alargada aumenta na direção de sua extremidade a jusante, sendo que o ângulo entre o eixo geométrico central e uma linha tangente a um ponto na superfície interna da seção divergente alargada aumenta com o aumento da distância do ponto a partir da extremidade a montante da seção divergente alargada, e sendo que, em um plano em corte transversal que contém o eixo geométrico central, a superfície interna da seção divergente alargada é uma seção de um círculo de raio R que varia de D/4 a 3D; sendo que a distância axial L da extremidade a jusante da seção de gargalo à extremidade a jusante da seção divergente alargada varia de D a 4D; (B) uma ou mais passagens de gás de direcionamento dentro do corpo do queimador, cada uma terminando em uma abertura de gás de direcionamento a jusante na seção de gargalo ou na seção divergente cônica cujo eixo geométrico é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico central, cada abertura de gás de direcionamento a jusante tendo um diâmetro

3 / 18 d, sendo que cada abertura de gás de direcionamento a jusante abre na seção de gargalo ou na seção divergente cônica em um ponto dentro da faixa de 3d/4 a montante a d/4 a jusante do ponto no qual a extremidade a jusante da seção de gargalo é vedada na extremidade a montante da seção divergente cônica, sendo que cada passagem de gás de direcionamento tem uma entrada que pode ser conectada a uma fonte de gás de direcionamento; (C) uma superfície de porta anular que repousa em um plano perpendicular ao eixo geométrico central e que circunda e é vedada na extremidade a jusante da seção divergente alargada; 4 a 20 primeiras portas na superfície de porta anular cujos eixos geométricos são paralelos ao eixo geométrico central, sendo que as primeiras portas são conectadas por primeiras passagens dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas através das quais o combustível gasoso pode ser alimentado a partir de fora do queimador, 4 a 20 segundas portas na superfície de porta anular cujos eixos geométricos são paralelos ao eixo geométrico central, sendo que as segundas portas são conectadas por segundas passagens dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas através das quais um oxidante gasoso pode ser alimentado a partir de fora do queimador, sendo a primeira e a segunda passagens separadas uma da outra; sendo que as primeiras portas são posicionadas de maneira substancialmente uniforme na superfície de porta, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem, e as segundas portas são posicionadas de maneira substancialmente uniforme na superfície de porta, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem; (D) um colar de chama que circunda e é coaxial com o eixo geométrico central, e que tem (i) uma extremidade a montante que é vedada na superfície de porta mais distante do eixo geométrico central do que a

4 / 18 distância da primeira e da segunda portas ao eixo geométrico central, (ii) uma extremidade a jusante aberta cujo diâmetro é maior que o diâmetro de sua extremidade a montante e que está situada a uma distância a jusante da superfície de porta que é pelo menos 5% da distância ao longo da extremidade a jusante aberta do colar de chama, e (iii) uma superfície exposta que é voltada para o eixo geométrico central e se estende da extremidade a montante à extremidade a jusante, sendo que a superfície exposta inclui uma ou mais regiões curvas em número igual ao número de aberturas de gás de direcionamento, sendo que cada região curva repousa sobre a superfície de um cone diferente que se abre para fora em direção à extremidade a jusante do colar de chama, sendo que o eixo geométrico de cada cone repousa no plano do eixo geométrico central e do eixo geométrico de uma abertura diferente das outras aberturas de gás de direcionamento e que se estende a partir do eixo geométrico central na extremidade a jusante da seção de gargalo em uma direção paralela à superfície interna da seção divergente cônica no lado oposto ao local da abertura de gás de direcionamento associada; e (iv) passagens dentro do colar de chama através das quais o agente refrigerante pode fluir para absorver o calor gerado pela combustão que ocorre no queimador; e (E) uma saída dentro do corpo na seção convergente cônica ou a montante da seção convergente cônica a partir da qual oxidante gasoso pode ser alimentado no interior do corpo na seção convergente cônica ao longo do eixo geométrico central, sendo que a dita saída é conectada por uma passagem no corpo do queimador a uma entrada através da qual oxidante gasoso pode ser alimentado a partir de fora do queimador.

[004] Um outro aspecto da presente invenção é um método para tratar material dentro de um cilindro de fusão, que compreende as etapas de: (A) alimentar oxidante gasoso no interior da seção

5 / 18 convergente cônica do queimador supracitado, para além das aberturas de gás de direcionamento e para dentro do colar de chama, alimentar oxidante gasoso para fora das ditas segundas portas do queimador para dentro do colar de chama, e alimentar combustível gasoso para fora das primeiras portas do queimador para dentro do colar de chama, e queimar o dito oxidante e o dito combustível no colar de chama para formar uma chama que emerge do corpo do queimador para além da extremidade aberta do colar de chama ao longo de um eixo geométrico; (B) colocar a chama em contato com material em um cilindro de fusão em uma primeira superfície do material e aquecer o material com a chama; (C) alimentar de modo intermitente o gás de direcionamento que sai da extremidade a jusante de uma abertura de gás de direcionamento para entrar em contato com o oxidante gasoso que flui para além da abertura de gás de direcionamento e assim alterar o eixo geométrico da chama para outro eixo geométrico com o gás de direcionamento, e colocar a chama, depois de alterado seu eixo geométrico, em contato com o material no cilindro de fusão e aquecer o material com a chama; repetir a etapa (C) até que o material fique completamente fundido; e então (E) descontinuar a alimentação do gás de direcionamento; e (F) ejetar um fluxo de oxidante gasoso de dentro da passagem para fora do colar de chama a uma velocidade supersônica para penetrar através da superfície do material fundido, e ao mesmo tempo passar o combustível para fora das primeiras portas, e queimar os ditos combustível e oxidante gasoso para estabelecer um envelope de chama ao redor do fluxo de oxidante gasoso.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

6 / 18

[005] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um queimador da presente invenção.

[006] A Figura 2 é uma vista em seção transversal de um queimador de acordo com a presente invenção.

[007] A Figura 3 é uma vista em planta da extremidade a jusante de um queimador de acordo com a presente invenção.

[008] A Figura 4 é uma vista em perspectiva de uma porção de uma modalidade da presente invenção.

[009] As Figuras 5A e 5B são vistas em seção transversal de uma porção de um queimador de acordo com a presente invenção, em diferentes modos de operação do queimador.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0010] Primeiramente com referência à Figura 1, é mostrado o exterior do queimador 1. O queimador 1 inclui uma carcaça externa 2, cuja superfície externa é mostrada na Figura 1. A carcaça externa 2 inclui uma linha de entrada 3A através da qual água de resfriamento pode fluir para o interior das passagens internas 4 dentro do colar de chama 19 do queimador (descrito adicionalmente com relação à Figura 2). A carcaça externa 2 inclui também uma linha de saída 3B através da qual a água de resfriamento sai das passagens internas 4.

[0011] O queimador 1 inclui também uma linha de alimentação, indicada pela referência 5, para alimentar combustível no interior do queimador 1 que será queimado depois de sair pelas portas 21 conforme descrito aqui; e uma linha de alimentação separada, indicada pela referência 6, para alimentar oxidante gasoso no interior do queimador 1 que, depois de sair pelas portas 22, será queimado com o combustível que sai pelas portas 21 conforme descrito aqui.

[0012] O queimador 1 inclui também uma linha de alimentação, indicada pela referência 8, para alimentar oxidante gasoso para dentro de uma

7 / 18 passagem central 13.

[0013] Em uso, a linha de alimentação 5 pode ser conectada a uma fonte de combustível, que é, de preferência, hidrocarboneto combustível gasoso como metano, propano, butano ou gás natural, e a linha 8 pode ser conectada a uma fonte de oxidante gasoso que pode ser ar, ar enriquecido com oxigênio tendo um teor de oxigênio de 22 a 75% em volume, ou oxigênio de maior pureza tendo um teor de oxigênio de ao menos 90% em volume, e, de preferência, ao menos 95% em volume. As conexões às linhas 5, 6 e 8 incluiriam, cada uma, controles convencionais adequados, como válvulas, para permitir fluxo ou para interromper o fluxo, e para controlar as taxas de fluxo.

[0014] Os elementos 17B, 18, 19B, 19C e 19D que aparecem na Figura 1 são aqui descritos em relação às Figuras 2 e 3.

[0015] Com referência à Figura 2, é mostrada uma seção transversal de uma modalidade do queimador da presente invenção.

[0016] O queimador 1 inclui a carcaça externa 2 supracitada. O queimador mostrado inclui um corpo de queimador 11, cuja superfície externa 10B entra em contato com as superfícies internas 10A da carcaça externa 2. Para facilidade de fabricação do queimador, pode-se criar o corpo interno 11 e a carcaça externa 2 separadamente e então montar o queimador inserindo-se o corpo interno 11 na carcaça externa 2, assegurando que haja um contato suficiente das superfícies 10A e 10B para proporcionar uma boa transferência de calor do corpo interno 11 para a água de resfriamento nas passagens internas 4 que geralmente existem na seção de colar de chama 19 da carcaça externa 2. Alternativamente, o queimador 1 pode ser construído de modo que seja de uma peça unitária que constitui o corpo do queimador. O queimador 1 é tipicamente instalado através da parede de um forno ou cilindro de aciaria, com a extremidade aberta voltada para o interior do forno ou do cilindro. Fabricar o queimador 1 nas duas seções supracitadas é vantajoso no sentido

8 / 18 de que após a instalação do queimador composto da carcaça externa 2 juntamente com o corpo interno 11, o corpo interno 11 pode ser substituído quando se tornar desgastado ou danificado mediante a simples remoção do mesmo do interior da carcaça externa 2 e instalação de um novo corpo interno 11 sem a necessidade de remover todo o queimador 1 de seu lugar na parede do forno ou do cilindro.

[0017] O corpo do queimador inclui uma passagem 13 que se estende da extremidade fechada 20 do corpo 11 até a extremidade a jusante aberta 19C do colar de chama 19. A passagem 13 é, de preferência, centralizada em torno de um único eixo geométrico central 12. A linha 8 supracitada para oxidante gasoso termina na saída 8A que é, de preferência, coaxial com o eixo geométrico 12. A saída 8A está preferencialmente localizada na passagem 13 dentro, ou a montante, da seção convergente cônica 14.

[0018] A seção convergente cônica 14 inclui uma extremidade a montante 14A e uma extremidade a jusante 14C. A superfície interna 14B da seção cônica convergente deverá formar um ângulo constante, de preferência um ângulo de 2 a 30 graus, em relação ao eixo geométrico central 12 (ou seja, o dito ângulo é o ângulo que é formado em um plano no qual o eixo geométrico 12 repousa, se a linha em que o plano cruza com o cone formado pela seção convergente 14 for estendida para cruzar com o eixo geométrico 12).

[0019] A extremidade a jusante 14C da seção convergente cônica 14 é vedada na extremidade a montante 15A da seção de gargalo 15. (O termo "vedada" significa aqui que as seções são conectadas uma à outra de modo que o fluido não possa passar para fora da passagem 13 através da conexão entre as seções, mas pode apenas passar em uma direção axial a partir de uma seção para a próxima.) A seção de gargalo 15 tem um diâmetro D constante em toda a extensão da seção de gargalo 15 até sua extremidade a jusante 15B. De preferência, a seção de gargalo 15 tem um comprimento axial, mas ela

9 / 18 pode compreender também uma junta diretamente entre a extremidade a jusante 14C da seção convergente cônica e a extremidade a montante 16A da seção divergente cônica 16.

[0020] A extremidade a jusante 15B da seção de gargalo é vedada na extremidade a montante 16A da seção divergente cônica 16. A superfície interna 16B da seção divergente cônica 16 se estende até a extremidade a jusante 16C em um ângulo constante, de preferência um ângulo de 2 a 15 graus, em relação ao eixo geométrico central 12. Uma ou mais aberturas de gás de direcionamento 23A estão presentes no corpo 11, cada uma tendo um diâmetro "d" e cada uma situada na seção de gargalo 15 ou na seção divergente cônica 16 e, de preferência, na intersecção entre a extremidade a jusante 16A e a extremidade a montante 15C, ou a uma distância não maior dessa interseção do que (3d/4) a montante dessa interseção a (d/4) a jusante dessa interseção. O eixo geométrico de cada abertura de gás de direcionamento 23A é perpendicular ao eixo geométrico central 12, ou substancialmente perpendicular (isto é, a não mais de 15 graus da perpendicular) em relação ao eixo geométrico central 12. As aberturas de gás de direcionamento 23A são conectadas através de válvulas e controles adequados às passagens de gás de direcionamento 23 que estão presentes no corpo 11 e podem ser conectadas a fontes externas de gás de direcionamento (que pode ser combustível gasoso conforme definido aqui, ou outro gás como nitrogênio, argônio ou dióxido de carbono, mas é, de preferência, oxidante gasoso conforme definido aqui).

[0021] Quando duas ou mais aberturas de gás de direcionamento 23A estão presentes, elas são, de preferência, fornecidas em locais que estão todos no mesmo plano perpendicular ao eixo geométrico central 12, espaçadas uma da outra, de preferência espaçadas simetricamente em torno do eixo geométrico central 12. Por exemplo, se duas aberturas 23A estiverem presentes, elas estarão, de preferência, espaçadas em 180 graus entre si,

10 / 18 embora possam ser separadas uma da outra em um ângulo de 30 graus a 180 graus. Se três aberturas 23A estiverem presentes, cada uma estará, de preferência, espaçada de sua abertura mais próxima em 120 graus, embora possam estar separadas entre si em um ângulo de 30 graus a 180 graus. Se quatro aberturas 23A estiverem presentes, cada uma estará, de preferência, espaçada de sua abertura mais próxima em 90 graus, embora possam estar separadas entre si em um ângulo de 30 graus a 180 graus. O espaçamento das aberturas de gás de direcionamento 23A é selecionado de acordo com as várias direções axiais em que a chama 30 (vista nas Figuras 5A e 5B) deva ser capaz de ser direcionada.

[0022] A extremidade a jusante 16C da seção divergente cônica 16 é vedada na extremidade a montante 17A da seção divergente alargada 17. A superfície interna 17B da seção divergente alargada 17 se estende até a extremidade a jusante 17C. O termo "alargada" significa que, assim como é sugerido pela Figura 2, a superfície interna 17B é curva, de modo que o ângulo entre o eixo geométrico central 12 e uma linha tangente a um ponto sobre a superfície interna 17B aumenta com o aumento da distância do ponto a partir da extremidade a montante 17A da seção divergente alargada. Mais especificamente, em qualquer plano no qual o eixo geométrico central 12 repousa, a linha formado pela intersecção do plano com a superfície 17B é uma seção de um círculo cujo raio R varia de (D/4) a 3D, de preferência de D/2 a 3D (isto é, um quarto de D, ou metade de D, até três vezes D).

[0023] A Figura 2 mostra também uma distância L que é a distância axial (isto é, paralela ao eixo geométrico 12) da extremidade a jusante 15B da seção de gargalo 15 à extremidade a jusante 17C da seção divergente alargada

17. Na presente invenção, determinou-se que resultados apropriados são alcançados em modalidades nas quais L é um valor na faixa de cerca de D a 2D ou mesmo até 4D (ou seja, D a duas vezes D ou até quatro vezes D).

[0024] A extremidade a jusante 17C da seção divergente alargada 17

11 / 18 é vedada na superfície de porta 18, que é um círculo anular que circunda a abertura na extremidade da seção divergente alargada 17 e que repousa em um plano que é perpendicular ao eixo geométrico central 12. A superfície 17B pode alargar para fora até uma intersecção na qual ela se funde com a superfície de porta 18 suavemente, sem qualquer descontinuidade, ou a extremidade a jusante 17C pode cruzar a superfície de porta 18 em um ângulo ou canto.

[0025] As várias portas 21 e 22 se abrem na superfície superior da superfície de porta 18, como pode ser visto nas Figuras 1, 2 e 3. O eixo geométrico de cada porta 21 e 22 é paralelo ao eixo geométrico central 12. Há, de preferência, 4 a 20 primeiras portas 21, que são conectadas através de condutos e controles adequados à linha de alimentação de combustível 5. O número de primeiras portas 21 varia, de preferência, de 6 a 12, e com mais preferência de 8 a 10. Há, de preferência, 4 a 20 segundas portas 22, que são conectadas através de condutos e controles adequados à linha de alimentação de oxidante 6. O número de primeiras portas 22 varia, de preferência, de 6 a 12, e com mais preferência de 8 a 10. As portas 21 e 22 devem ter respectivos diâmetros que, quando tomados em conjunto, façam com que os fluxos de oxidante e de combustível que saem das portas formem uma chama estável. Em termos práticos, as portas têm, tipicamente, um diâmetro que varia de um quarto de polegada a 1 polegada, dependendo do tamanho geral do queimador e das taxas de fluxo através das portas. As portas 21 são posicionadas de maneira substancialmente uniforme ao redor da superfície de porta 18, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central 12 (de preferência em um círculo). As portas 22 devem também ser posicionadas de maneira substancialmente uniforme ao redor da superfície de porta 18, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central 12 (de preferência em um círculo). As portas 21 e 22 podem estar todas situadas no mesmo círculo, caso em que elas de preferência se alternam

12 / 18 entre si de modo que haja sempre uma porta 21 entre duas portas 22 e uma porta 22 sempre entre duas portas 21, e cada porta 21 e 22 esteja distante de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central 12. Alternativamente, as portas 21 podem ser dispostas em um círculo de um primeiro diâmetro e as portas 22 repousar em um círculo de um segundo diâmetro que é maior ou menor que o primeiro diâmetro. Em tal construção, as portas 21 e 22 devem preferencialmente estar desalinhadas, o que significa que um raio do eixo geométrico central até uma primeira porta está sempre entre raios até duas segunda portas diferentes, e vice-versa. Em outra alternativa, pares de portas 21 e 22 podem estar sobre o mesmo raio a partir do eixo geométrico central.

[0026] Como usado aqui, as portas estarão situadas "de maneira substancialmente uniforme" em torno do eixo geométrico central 12 se os ângulos entre cada par de raios adjacentes a partir do eixo geométrico central 12 através do centro de cada porta estiverem dentro de 5 graus de (360/N), em que N é o número de portas, e estarão situadas "uniformemente" em torno do eixo geométrico central 12 se os ângulos entre cada par de raios adjacentes estiverem dentro de 1 grau de (360/N). Por exemplo, se houver 12 portas, elas são consideradas como estando situadas de maneira substancialmente uniforme ao redor do eixo geométrico central se o ângulo entre cada par de raios adjacentes for de 25 graus a 35 graus, e uniformemente situadas se cada um desses ângulos for de 29 a 31 graus.

[0027] Como usado aqui, um grupo de portas que estão "distantes de maneira substancialmente uniforme" do eixo geométrico central da passagem central significa que, com referência à porta cujo centro está mais próximo ao eixo geométrico central da passagem central, nenhuma das outras portas no grupo está completamente fora de um círculo cujo centro está no eixo geométrico central e cujo raio é a distância até a borda mais externa daquela porta de referência, e que um grupo de portas estão "distantes de maneira

13 / 18 substancialmente uniforme" do eixo geométrico central da passagem central se, em relação à porta de referência, nenhuma porção das outras portas no grupo estiver fora de um círculo cujo centro está no eixo geométrico central e cujo raio é a distância até a borda mais externa daquela porta de referência.

[0028] O colar de chama 19 circunda a extremidade aberta da seção divergente alargada 17 e é coaxial com o eixo geométrico central 12. O colar de chama 19 tem uma extremidade a montante 19A que é vedada na superfície de porta 18 em um local que é mais distante do eixo geométrico central 12 do que a distância das portas 21 e 22 ao eixo geométrico central 12. O colar de chama 19 tem uma extremidade a jusante 19C cujo diâmetro é maior que o diâmetro de sua extremidade a montante 19A. A extremidade a jusante 19C está situada a uma distância a jusante da superfície de porta 18 que é pelo menos 5% (de preferência pelo menos 15%, e com mais preferência pelo menos 25%) da distância ao longo da extremidade aberta 19C do colar de chama.

[0029] O colar de chama 19 contém passagens 4 dentro do colar chama através das quais a água de resfriamento (ou outro agente refrigerante) pode fluir para absorver o calor gerado pela combustão que ocorre no queimador, e para absorver o calor que emana do forno onde a chama é direcionada.

[0030] O colar de chama 19 tem também uma superfície exposta 19B que é voltada para o eixo geométrico central 12 e se estende da extremidade a montante 19A à extremidade a jusante 19C. Em vez de meramente ter formato cônico ou alargado, a superfície exposta 19B, inclui uma ou mais regiões especialmente curvas, não anteriormente conhecidas, que fornecem vantagens operacionais. O número dessas regiões especialmente curvas deve ser igual ao número de aberturas de gás de direcionamento 23A no queimador.

[0031] Cada região curva repousa sobre a superfície de um cone

14 / 18 diferente que se abre para fora em direção à extremidade a jusante 19C do colar de chama 19. O eixo geométrico de cada cone diferente tem várias características: ele repousa no mesmo plano no qual se situam ambos o eixo geométrico central 12 e o eixo geométrico de uma abertura diferente das outras aberturas de gás de direcionamento 23A; e ele se estende a partir do eixo geométrico central 12 na extremidade a jusante 15B da seção de gargalo 15 em uma direção paralela à superfície interna 16B da seção divergente cônica 16 no lado oposto ao local da abertura de gás de direcionamento 23A associada. Ou seja, o eixo geométrico de cada cone diferente está no lado do queimador que é oposto ("afastado") à abertura de gás de direcionamento que está associada àquele cone e seu eixo geométrico.

[0032] As Figuras 3 e 4 ilustram essas regiões especialmente curvas em um colar de chama tendo três de tais regiões, que seriam usadas em um queimador com três aberturas de gás de direcionamento. Como pode ser visto, cada região especialmente curva é delimitada por cristas 19D. Entre um dado par de cristas adjacentes 19D, a superfície de cada cone poderia entrar em contato e definir uma região especialmente curva distinta da superfície 19B, enquanto o restante desse cone fora do par de cristas adjacentes não entraria em contato com nenhuma outra superfície 19B e não definiria nenhuma outra porção da superfície 19B.

[0033] As Figuras 5A e 5B ilustram a relação entre as regiões especialmente curvas da superfície do colar de chama 19B, e uma chama que é gerada e direcionada axialmente conforme descrito adicionalmente no presente documento. Quando nenhum gás de direcionamento é ejetado de uma abertura de gás de direcionamento, uma chama formada pela combustão do combustível alimentado a partir das portas 21, do fluxo 7 de oxidante alimentado a partir da saída 8A e do oxidante alimentado a partir das portas 22 se estende para fora do queimador 1 ao longo do eixo geométrico 12, geralmente coaxial e paralelo ao eixo geométrico 12. A chama assumirá um

15 / 18 formato genericamente cônico expandindo-se para longe do queimador. Tal chama é representada na Figura 5A como a chama 30.

[0034] Quando o eixo geométrico da chama 30 é alterado de coaxial ou paralelo ao eixo geométrico 12, para um novo alinhamento axial 31 (como por ejeção do gás de direcionamento de uma abertura de gás de direcionamento 23A conforme descrito adicionalmente na presente revelação para defletir o fluxo 7 de oxidante que flui além da abertura 23A), o fluxo 7 passará ao longo da superfície 16B, e tenderá a seguir a superfície 17B (exibindo o assim chamado efeito Coanda), e irá queimar com o combustível proveniente das portas 21 como a chama 30 que se expande em um formato genericamente cônico no colar de chama 19 em torno da direção 7A (conforme mostrado na Figura 5B). Essa tendência da chama de se expandir em um formato genericamente cônico fará com que uma porção da chama entre em contato com a porção especialmente curva da superfície 19B que forma a seção cônica conforme descrito aqui. O fornecimento da porção especialmente curva da superfície 19B fornece vantagens que incluem proteger o colar de chama e a superfície de porta 18 contra calor excessivo da chama ou do forno para o qual a chama é direcionada.

[0035] Em funcionamento de acordo com a presente invenção, o fluxo 7 de oxidante gasoso é alimentado no queimador 1 a partir da saída 8A, o oxidante gasoso é alimentado para fora das portas 22 para o interior do colar de chama 19, o combustível é alimentado para fora das portas 21 para o interior do colar de chama 19, o combustível proveniente da superfície de porta e o oxidante proveniente tanto da superfície de porta como da saída 8A são inflamados e queimados para formar uma chama. A chama se estende a partir da passagem 13 no colar de chama 19 para fora da extremidade aberta do colar de chama.

[0036] Conforme declarado anteriormente, se nenhum gás de direcionamento for ejetado de qualquer uma das aberturas de gás de

16 / 18 direcionamento 23A, a chama irá emergir da extremidade aberta do queimador paralela ou coaxialmente ao eixo geométrico central 12.

[0037] De modo intermitente, o gás de direcionamento é ejetado de uma ou mais aberturas de gás de direcionamento 23A a uma taxa suficiente para impactar o fluxo de oxidante gasoso 7 à medida que ele passa pelas aberturas de gás de direcionamento. Esse impacto altera o eixo geométrico do fluxo de oxidante daquilo que era sua direção axial (paralela ou coaxial ao eixo geométrico 12 ou já em um ângulo em relação ao eixo geométrico 12), para outra direção axial 7A. A chama 30 que é formada pela combustão de combustível com o oxidante no fluxo defletido 7A e com o oxidante vindo das portas 22 ainda emerge da extremidade aberta do queimador 1, mas em uma direção axial diferente. Quando duas ou mais aberturas de gás de direcionamento estão presentes, é possível ejetar o gás de direcionamento a partir de uma abertura de gás de direcionamento e então a partir de uma abertura de gás de direcionamento diferente, ou de cada uma delas, de modo que a direção axial da chama seja alterada a partir de uma direção que não é paralela ao eixo geométrico 12, para outra direção que também não é paralela ao eixo geométrico 12. Deve ser observado que uma direção axial de chama que é paralela ao eixo geométrico 12 é, portanto, simplesmente outra direção axial na qual a chama pode ser direcionada. Consequentemente, é possível variar a direção axial da chama em cada uma das muitas direções diferentes, uma das quais pode ser paralela ao eixo geométrico 12, em qualquer sequência desejada de direções axiais.

[0038] Essa capacidade de variar a direção axial da chama 30 pode ser utilizada na fusão de material sólido, como sucata metálica, em um forno de aciaria. Por exemplo, pode-se direcionar a chama em uma região específica do material, e então alterar a direção axial da chama para entrar em contato com uma região diferente do material. Então, a direção axial pode ser alterada novamente, para uma terceira direção de modo a colocar a chama em contato

17 / 18 com uma terceira região do material ou de volta a uma direção anterior para continuar a aquecer uma região que estava previamente sendo aquecida, e assim por diante. É preferencial continuar a colocar a chama em contato com uma região do material até que o material nessa região esteja parcial ou completamente fundido e, então, alterar a direção axial da chama para aquecer o material até que o mesmo esteja parcial ou completamente fundido e, então, passar para ainda outra região do material para fundi-lo parcial ou completamente, e assim por diante. No entanto, em qualquer uma dessas etapas, a chama pode ser usada para aquecer o material sem fundir nenhuma parte do mesmo, caso seja desejado operar de tal maneira.

[0039] Uma implementação preferencial desta invenção é a fusão do material de alimentação, como sucata metálica, em um forno de aciaria. Em qualquer implementação, mas especialmente em um forno de aciaria, há etapas adicionais a serem executadas. Ou seja, depois que o material estiver completamente fundido, o fluxo de oxidante continua a ser forçado para fora da saída 8A, mas agora a uma velocidade mais alta que seja suficiente para que fazer com que esse fluxo de oxidante emerja da extremidade aberta do colar de chama 19 a uma velocidade supersônica. Nesse ponto, a alimentação de combustível e oxidante para fora de portas 21 e 22 é continuada, queimando e formando um envoltório de chama ao redor do fluxo de oxidante que emerge da extremidade aberta do colar de chama 19. A velocidade do fluxo de oxidante precisa ser alta o suficiente para que o fluxo de oxidante alcance a superfície de metal fundido no forno e penetre no metal fundido. O envoltório de chama estabiliza esse fluxo oxidante. Exemplo

[0040] A tabela abaixo mostra as condições de operação de um queimador projetado para um forno específico. Embora a velocidade real empregada em um dado queimador dependa do requisito de aquecimento total, as velocidades empregadas em queimadores de acordo com esta

18 / 18 invenção permanecerão na faixa de 200 a 1.000 pps (pés por segundo). Constatou-se que uma velocidade mínima de 400 pps de O2 na porta 22 e uma velocidade mínima de gás natural de 650 pps na porta 21 são úteis para a operação ideal em fornos a arco elétricos.

Velocidade de O2 principal Velocidade de O2 Velocidade de GN Velocidade nas aberturas (8A) (passagem central), no envoltório no envoltório de gás de direcionamento - pps (no gargalo – D) (portas 22) - pps (portas 21) - pps pps Modo 1 do 550 412 676 400 queimador Modo 2 do 780 597 977 660 queimador Modo 3 do A velocidade de O2 queimador 972 597 977 principal (8A) é muito alta para ser defletida Modo de alta sem fluxo de 979 (sônica) 357 588 velocidade 1 direcionamento Modo de alta sem fluxo de 979 (sônica) 357 588 velocidade 2 direcionamento Modo de alta sem fluxo de 979 (sônica) 408 670 velocidade 3 direcionamento

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Queimador multifuncional caracterizado por compreender: (A) um corpo que tem: uma passagem através do corpo que tem um eixo geométrico central, sendo que a passagem inclui uma seção convergente cônica, uma seção de gargalo, uma seção divergente cônica e uma seção divergente alargada, todas as quais são coaxiais com o eixo geométrico central, sendo que: a seção convergente cônica tem uma extremidade a montante aberta e uma extremidade a jusante aberta, sendo que a largura da seção divergente cônica diminui na direção de sua extremidade a jusante, sendo que a superfície interna da seção convergente forma um ângulo constante em relação ao eixo geométrico central; a seção de gargalo tem uma extremidade a montante aberta que é vedada na extremidade a jusante da seção convergente cônica, e uma extremidade a jusante aberta, e tem um diâmetro D que é constante entre suas extremidades a montante e a jusante; a seção divergente cônica tem uma extremidade a montante aberta que é vedada na extremidade a jusante da seção de gargalo e uma extremidade a jusante aberta, sendo que a largura da seção divergente cônica aumenta na direção de sua extremidade a jusante, sendo que a superfície interna da seção divergente cônica forma um ângulo constante em relação ao eixo geométrico central; a seção divergente alargada tem uma extremidade a montante aberta que é vedada na extremidade a jusante da seção divergente cônica e uma extremidade a jusante aberta, sendo que a largura da seção divergente alargada aumenta na direção de sua extremidade a jusante, sendo que o ângulo entre o eixo geométrico central e uma linha tangente a um ponto na superfície interna da seção divergente alargada aumenta com o aumento da distância do ponto a partir da extremidade a montante da seção divergente alargada, e sendo que, em um plano em corte transversal que contém o eixo geométrico central, a superfície interna da seção divergente alargada é uma seção de um círculo de raio R que varia de D/4 a 3D; sendo que a distância axial L da extremidade a jusante da seção de gargalo à extremidade a jusante da seção divergente alargada varia de D a 4D; (B) uma ou mais passagens de gás de direcionamento dentro do corpo do queimador, cada uma terminando em uma abertura de gás de direcionamento a jusante na seção de gargalo ou na seção divergente cônica cujo eixo geométrico é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico central, cada abertura de gás de direcionamento a jusante tendo um diâmetro d, sendo que cada abertura de gás de direcionamento a jusante abre na seção de gargalo ou na seção divergente cônica em um ponto dentro da faixa de 3d/4 a montante a d/4 a jusante do ponto no qual a extremidade a jusante da seção de gargalo é vedada na extremidade a montante da seção divergente cônica, sendo que cada passagem de gás de direcionamento tem uma entrada que pode ser conectada a uma fonte de gás de direcionamento; (C) uma superfície de porta anular que repousa em um plano perpendicular ao eixo geométrico central e que circunda e é vedada na extremidade a jusante da seção divergente alargada; 4 a 20 primeiras portas na superfície de porta anular cujos eixos geométricos são paralelos ao eixo geométrico central, sendo que as primeiras portas são conectadas por primeiras passagens dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas através das quais o combustível gasoso pode ser alimentado a partir de fora do queimador, 4 a 20 segundas portas na superfície de porta anular cujos eixos geométricos são paralelos ao eixo geométrico central, sendo que as segundas portas são conectadas por segundas passagens dentro do corpo do queimador a uma ou mais entradas através das quais um oxidante gasoso pode ser alimentado a partir de fora do queimador, sendo a primeira e a segunda passagens separadas uma da outra; sendo que as primeiras portas são posicionadas de maneira substancialmente uniforme na superfície de porta, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem, e as segundas portas são posicionadas de maneira substancialmente uniforme na superfície de porta, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem; (D) um colar de chama que circunda e é coaxial com o eixo geométrico central, e que tem (i) uma extremidade a montante que é vedada na superfície de porta mais distante do eixo geométrico central do que a distância da primeira e da segunda portas ao eixo geométrico central, (ii) uma extremidade a jusante aberta cujo diâmetro é maior que o diâmetro de sua extremidade a montante e que está situada a uma distância a jusante da superfície de porta que é pelo menos 5% da distância ao longo da extremidade a jusante aberta do colar de chama, e (iii) uma superfície exposta que é voltada para o eixo geométrico central e se estende da extremidade a montante à extremidade a jusante, sendo que a superfície exposta inclui uma ou mais regiões curvas em número igual ao número de aberturas de gás de direcionamento, sendo que cada região curva repousa sobre a superfície de um cone diferente que se abre para fora em direção à extremidade a jusante do colar de chama, sendo que o eixo geométrico de cada cone repousa no plano do eixo geométrico central e do eixo geométrico de uma abertura diferente das outras aberturas de gás de direcionamento e que se estende a partir do eixo geométrico central na extremidade a jusante da seção de gargalo em uma direção paralela à superfície interna da seção divergente cônica no lado oposto ao local da abertura de gás de direcionamento associada; e (iv)

passagens dentro do colar de chama através das quais o agente refrigerante pode fluir para absorver o calor gerado pela combustão que ocorre no queimador; e (E) uma saída dentro do corpo na seção convergente cônica ou a montante da seção convergente cônica a partir da qual oxidante gasoso pode ser alimentado no interior do corpo na seção convergente cônica ao longo do eixo geométrico central, sendo que a dita saída é conectada por uma passagem no corpo do queimador a uma entrada através da qual oxidante gasoso pode ser alimentado a partir de fora do queimador.

2. Queimador multifuncional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a superfície interna da seção convergente formar um ângulo constante de 2 graus a 30 graus em relação ao eixo geométrico central.

3. Queimador multifuncional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a superfície interna da seção divergente cônica formar um ângulo constante de 2 graus a 15 graus em relação ao eixo geométrico central.

4. Queimador multifuncional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as primeiras portas e as segundas portas serem posicionadas alternadamente entre si na superfície de porta, distantes de maneira substancialmente uniforme do eixo geométrico central da passagem.

5. Queimador multifuncional de acordo com a reivindicação 1, caracterizador por o colar de chama ter uma extremidade a jusante aberta cujo diâmetro é maior que o diâmetro de sua extremidade a montante e que está situada a uma distância a jusante da superfície de porta que é pelo menos 5% da distância ao longo da extremidade a jusante aberta do colar de chama.

6. Queimador multifuncional de acordo com a reivindicação 1, caracterizador por a superfície interna da seção divergente alargada ser uma seção de um círculo de raio R que varia de D/2 a 3D.

7. Queimador multifuncional de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a distância axial L da extremidade a jusante da seção de gargalo à extremidade a jusante da seção divergente alargada variar de D a 2D.

8. Método para tratar material dentro de um cilindro de fusão, sendo o método caracterizado por compreender as etapas de: (A) alimentar oxidante gasoso no interior da seção convergente cônica de um queimador, como definido na reivindicação 1, para além das aberturas de gás de direcionamento e para dentro do colar de chama do dito queimador, alimentar oxidante gasoso para fora das segundas portas do dito queimador para dentro do colar de chama, e alimentar combustível gasoso para fora das primeiras portas do dito queimador para dentro do colar de chama, e queimar o dito combustível e o dito oxidante no colar de chama para formar uma chama que emerge do corpo do queimador para além da extremidade aberta do colar de chama ao longo de um eixo geométrico; (B) colocar a chama em contato com material em um cilindro de fusão em uma primeira superfície do material e aquecer o material com a chama; (C) alimentar de modo intermitente o gás de direcionamento que sai da extremidade a jusante de uma abertura de gás de direcionamento e colocá-lo em contato com o oxidante gasoso que flui para além da abertura para alterar o eixo geométrico do oxidante e assim alterar o eixo geométrico da chama para outro eixo geométrico com o gás de direcionamento, e colocar a chama, depois de alterado seu eixo geométrico, em contato com o material no cilindro de fusão e aquecer o material com a chama; repetir a etapa (C) até que o material fique completamente fundido; e então (E) descontinuar a alimentação do gás de direcionamento; e (F) ejetar um fluxo de oxidante gasoso de dentro da passagem para fora do colar de chama a uma velocidade supersônica para penetrar através da superfície do material fundido, e ao mesmo tempo passar o combustível para fora das primeiras portas, e queimar os ditos combustível e oxidante gasoso para estabelecer um envelope de chama ao redor do fluxo de oxidante gasoso.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o fluxo de gás que é alimentado na etapa (F) compreender oxigênio.

10. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o fluxo de gás que é alimentado na etapa (F) compreender nitrogênio.

11. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o fluxo de gás que é alimentado na etapa (F) compreender argônio.

12. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o fluxo de gás que é alimentado na etapa (F) compreender dióxido de carbono.