BRPI0615084B1 - Método de combustão em um forno equipado de meios de recuperação de energia e método de transformação de um forno - Google Patents

Método de combustão em um forno equipado de meios de recuperação de energia e método de transformação de um forno Download PDF

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Abstract

PRÉ-AQUECIMENTO DO COMBUSTÍVEL E O COMBURENTE DE OXIQUEIMADORES A PARTIR DE INSTALAÇÕES DE PRÉ-AQUECIMENTO DE AR DE COMBUSTÃO. A invenção refere-se um método de combustão em um forno equipado de meios de recuperação de energia e de queimadores, o calor dos gases de combustão recuperado pelos meios de recuperação de energia e este calor recuperado pelos meios de recuperação de energia é utilizado para aquecer do ar, no qual: pelo menos uma parte dos queimadores faz a combustão de um combustível e de um comburente rico em oxigênio; pelo menos uma parte do ar aquecido pelos meios de recuperação de energia é utilizada para pré-aquecer o combustível e/ou o comburente rico em oxigênio dos queimadores.

Description

A presente invenção refere-se a preparação de um método de oxicombustão com pré-aquecimento do oxigênio e/ou do combustível em um forno equipado de meios para a aplicação de uma aérocombustão com pré-aquecimento de ar.
Os fornos de regeneradores são fornos equipados de empilhamento de refratários sobre os suas partes laterais. Estes refratários são trocadores de calor que permitem recuperar o calor dos gases de combustão que saem das partes laterais do forno e transferem este calor ao ar frio fornecido ao forno. Os refratários dos regeneradores são aquecidos a temperaturas muito elevadas pelos gases de combustão (de aproximadamente 1300 a 1500°C). Na prática, os gases de combustão que saem por uma parte lateral do forno são colocados em contacto com os refratários desde a sua parte inferior até à sua parte superior durante um ciclo geralmente de cerca de 20 minutos. Durante o ciclo seguinte, o ar frio de combustão destinado a alimentar os queimadores do forno é colocado em contacto com os refratários desde sua parte inferior até à sua parte superior de maneira a extrair o seu calor. 0 ar de combustão então é aquecido a uma temperatura geralmente de aproximadamente 1100 a 1300°C antes de ser introduzido na câmara de combustão do forno. As correntes de gás de combustão e ar de combustão são invertidas a cada ciclo de modo que cada face do regenerador possa ser aquecida alternativamente e utilizada para pré-aquecer o ar de combustão. 0 pré-aquecimento do ar de combustão permite uma combustão à ar com um rendimento energético elevado. Para os fornos recuperadores, o ar de combustão é aquecido continuamente por trocadores metálicos alimentados em gases de combustão.
Numerosos fornos funcionam no momento em oxicombustão, o que significa que a combustão não mais é realizada entre o combustível e o ar (aérocombustão), mas entre o combustível e um comburente apresentando uma concentração em oxigênio mais elevada que o ar; trata-se em geral de ar enriquecido de oxigênio ou oxigênio puro. O pré-aquecimento do oxigênio e do combustível, a partir dos gases dos produtos de combustão, permite recuperar uma parte da energia que está contida, e de melhorar a eficácia energética deste tipo de combustão. A energia contida nos gases dos produtos de combustão na saída de um forno de fusão de vidro, equipado de chamas oxi combustíveis é de aproximadamente 30% da potência consumida.
A oxicombustão é facilmente colocada quando há a construção de novos fornos. Em contrapartida, é mais difícil utilizar somente a oxicombustão em fornos de regeneradores inicialmente previstos para a combustão à ar por razões econômicas. Uma das razões é que é necessário retirar os regeneradores, alterar o dimensionamento do forno e refazer as evacuações dos gases de combustão. Na realidade, na oxicombustão, o volume dos gases de combustão é 4 a 5 vezes inferior ao de uma combustão à ar.
O objetivo da presente invenção é propor um método de combustão para fazer pelo menos parcialmente uma oxicombustão em um forno equipado de regeneradores ou recuperadores que recuperam o calor dos gases de combustão.
Outro objetivo é fazer este método de oxicombustão a partir da instalação de um forno à aérocombustão já existente.
Outro objetivo é propor um método de oxicombustão que pode adaptar-se sobre um forno de regeneradores ou recuperadores concebido para uma combustão à ar.
Neste objetivo, a invenção refere-se a um método de combustão em um forno equipado de meios de recuperação de energia dos gases de combustão e de queimadores, no qual o calor dos gases de combustão é recuperado pelos meios de recuperação de energia e este calor recuperado pelos meios de recuperação de energia é utilizado para aquecer do ar, e no qual:
  1. - pelo menos uma parte dos queimadores faz a combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio, e
  2. - pelo menos uma parte do ar aquecido pelos meios de recuperação de energia é utilizada para pré-aquecer o combustível e/ou o comburente rico em oxigênio dos queimadores.
A invenção refere-se, por conseguinte a aplicação de um método de combustão em um forno equipado de meios de recuperação de energia, como regeneradores ou recuperadores concebidos de maneira a recuperar a energia contida nos gases de combustão. A combustão feita no forno é, pelo menos parcialmente, uma oxicombustão, ou seja, a combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio. Preferivelmente, pelo menos 10% da potência de combustão é produzida por queimadores aplicados na combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio, ainda mais preferivelmente pelo menos 20 %. Por "ricos em oxigênio", entende-se um comburente que apresenta uma concentração de oxigênio superior a 90% em volume.0 oxigênio produzido por um método VSA (adsorção com regeneração a vácuo) particularmente é adaptado. De acordo com o método da invenção, os meios de recuperação de energia são utilizados para aquecer o ar frio, ou seja, o ar ambiente, comunicando-lhe a energia recuperada na totalidade dos gases de combustão, provendo ao mesmo tempo a oxicombustão e a aérocombustão, se os aéroqueimadores forem utilizados (por aéroqueimadores, entende-se os queimadores dos quais o comburente é o ar) . Na técnica anterior, esta energia recuperada dos gases era destinada somente ao pré- aquecimento do ar de combustão, ou seja, o ar misturado diretamente ao combustível no queimador. Ao contrário, na presente invenção, pelo menos uma parte da energia contida neste ar aquecido pelos meios de recuperação de energia dos gases de combustão é dirigida para os meios de alimentação de combustível e comburente rico em oxigênio dos oxiqueimadores de maneira à pré-aquecer este combustível e comburente (por oxiqueimadores, entende-se queimadores dos quais o comburente é rico em oxigênio) . O pré-aquecimento pode ser realizado por qualquer meio de troca de calor entre o ar quente e o combustível ou o comburente.
Foi notado que a energia dos gases procedentes da oxicombustão não podia ser recuperada somente para aquecer o ar destinado a combustão dos queimadores aérocombustíveis se tais queimadores estão presentes com os queimadores oxicombustíveis. Na realidade, o débito de ar é controlado e limitado pela potência e o relatório de combustão ar/combustível da aérocombustão instaladoa. Do mesmo modo, a temperatura de pré-aquecimento do ar de combustão é limitada pelo comportamento dos refratários ou outros materiais do sistema de recuperação de energia nos gases. Assim, a oxicombustão produz um acréscimo de energia nos gases e esta energia suplementar contida nos gases do oxicombustão e evacuada pelos meios de recuperação de energia do forno, pode ser recuperada com o pré-aquecimento de ar do qual uma parte (ou mesmo a totalidade no caso de um forno aquecido somente por oxiqueimadores) será dirigida para os meios de pré-aquecimento do combustível e do comburente rico em oxigênio dos oxiqueimadores.
Durante o aquecimento do ar frio, o ar é levado a uma temperatura pré-aquecimento máxima para um volume adaptado à necessidade da aérocombustão e o pré-aquecimento do oxigênio e/ou do combustível da oxicombustão. Pelo menos uma parte do ar aquecido pelos meios de recuperação de energia é dirigida para as instalações de pré-aquecimento do combustível e/ou do comburente rico em oxigênio dos queimadores através de um trocador de calor direto ou indireto. Por ’’trocador de calor indireto”, entende-se um trocador de calor que utiliza um gás inerte para transferir o calor do ar quente ao combustível e/ou do comburente rico em oxigênio: o calor do ar quente primeiro é transferido ao gás inerte, que transfere em seguida seu calor ao combustível e/ou ao comburente rico em oxigênio. Como gás inerte, pode-se, por exemplo, utilizar nitrogênio, argônio.
A invenção pode ser aplicada já que todos os queimadores fazem a combustão de um combustível e de um comburente ricos em oxigênio. Neste caso, todo o ar pré- aquecido pelos meios de recuperação de energia é destinado à troca de calor com o combustível e/ou o comburente rico em oxigênio.A invenção convém particularmente à combustão feita em um forno de fusão de vidro.
A invenção refere-se igualmente a um método de transformação de um forno equipado:
  1. de queimadores aplicados na combustão de um combustível e ar, e
  2. . de meios de recuperação de energia nos quais o calor dos gases de combustão é recuperado para aquecer o ar.
  3. de meios de alimentação dos queimadores em ar aquecido, um forno que utiliza uma oxicombustão, na qual:
  4. - a alimentação de ar em pelo menos uma parte dos queimadores é substituída por uma alimentação de comburente rico em oxigênio,
  5. - pelo menos uma parte do ar aquecido pelos meios de recuperação de energia é utilizada para pré-aquecer o combustível e/ou o comburente dos queimadores.
Este método de transformação apresenta a vantagem de permitir a passagem de um forno que funciona em aérocombustão a um funcionamento parcial ou total em oxicombustão conservando ao mesmo tempo as estruturas do forno existente e utilizando os sistemas de recuperação de energia nos gases para pré-aquecer o oxigênio e/ou o combustível do oxicombustão de maneira a aumentar a eficácia energética da instalação. É, por conseguinte possível aplicar o método de oxicombustão e aproveitar as suas vantagens (temperatura de combustão mais elevada e menor perda de energia nos gases, redução do NOX e das poeiras) sem dever redimensionar profundamente o forno,principalmente no que diz respeito a evacuação dos gases, epor conseguinte fazer um investimento importante.
Na conversão somente parcial do forno à oxicombustão e utilizando os regeneradores existentes para o pré- aquecimento do oxigênio e/ou do combustível, conserva-se uma parte das estruturas do forno e limita-se as alterações a introdução do sistema de evacuação dos gases.
A figura 1 ilustra o método da invenção. O forno 9 é equipado:
  1. - a montante, de oxiqueimadores alimentados em combustível 4 e comburente rico em oxigênio 3,
  2. - a jusante, de queimadores alimentados de combustível 6 e de ar aquecido 51,
  3. - de regeneradores 1 que, são alimentados pelos gases quentes 2 do forno (regeneradores 1) , que restituem o ar quente 5,.51 (regeneradores 11) . 0 ar quente 5 emitido pelos regeneradores 11 é utilizado como o ar de combustão 51 nos queimadores a ar, utilizado para pré-aquecer o combustível 4 e o comburente rico em oxigênio 3 dos oxiqueimadores através dos trocadores de calor 6, 7. Nesta configuração, o ar quente 5 procedente dos recuperadores 11 colocados em um mesmo lado do forno 9 permitem respectivamente a alimentação e o pré-aquecimento apenas dos queimadores aérocombustíveiss e oxicombustíveis colocados do seu mesmo lado do forno, os queimadores colocados de outro lado do forno não funcionam.
A figura 2 ilustra o pré-aquecimento dos reagentes: o ar quente 5 procedente dos regeneradores 11 é introduzido sucessivamente em um trocador de calor 7 de maneira a aquecer o comburente rico em oxigênio 3, em seguida notrocador de calor 6 para aquecer o combustível 4. 0 comburente pré-aquecido 31 e o combustível pré-aquecido 41 são em seguida colocados em contato para a oxicombustão.
A figura 3 ilustra uma alternativa do método da figura 1 no qual os regeneradores 11 que estão aquecendo o ar 5 permitem emitir o ar quente como ar de combustão para os queimadores aérocombustíveis e de emitir o ar quente para pré-aquecer os reagentes dos queimadores oxicombustíveis colocados de cada lado do forno. Para esta aplicação, é, por conseguinte possível fazer funcionar continuamente os 10 queimadores oxi combustíveis de cada lado do fornoindependentemente dos ciclos dos regeneradores.

Claims (8)

  1. Método de combustão em um forno equipado de meios de recuperação de energia (1, 11) e de queimadores, no qual o calor dos gases de combustão (2) é recuperado pelos meios de recuperação de energia (1, 11) e este calor recuperado pelos meios de recuperação de energia (1, 11) é utilizado para aquecer o ar, os referidos meios de recuperação de energia sendo regeneradores,
    pelo menos uma parte dos queimadores fazem a combustão de um combustível (4) e um comburente rico em oxigênio (3),
    caracterizado pelo fato de que:
    - pelo menos uma parte do ar aquecido (5) pelos meios de recuperação de energia (1, 11) é utilizada para pré- aquecer o combustível (4) e/ou o comburente rico em oxigênio (3) dos queimadores por troca de calor entre o ar aquecido (5) e o combustível (4) e/ou o comburente rico em oxigênio (3).
  2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o comburente rico em oxigênio apresenta uma concentração de oxigênio superior a 90% em volume.
  3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que pelo menos 10% dos queimadores fazem a combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio.
  4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,caracterizado pelo fato de que o ar aquecido (5) pelos meios de recuperação de energia (1) pré- aquecem o combustível (4) e/ou o comburente rico em oxigênio (3) dos queimadores através de um trocador de calor (6, 7).
  5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4,caracterizado pelo fato de que todos os queimadores fazem a combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio.
  6. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5,caracterizado pelo fato de que oforno é um forno de fusão de vidro.
  7. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 6,caracterizado pelo fato de que osqueimadores que fazem a combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio são colocados em uma parte e outra do forno e em que o ar aquecido pelos meios de recuperação de energia é utilizado para pré-aquecer o combustível e/ou o comburente de todos os queimadores que fazem a combustão de um combustível e um comburente rico em oxigênio.
  8. Método de transformação de um forno equipado:
    de queimadores que fazem a combustão de um combustível e ar, e
    . de meios de recuperação de energia nos quais o calor dos gases de combustão é recuperado para aquecer o ar, os referidos meios de recuperação de energia sendo regeneradores,
    de meios de alimentação dos queimadores em ar aquecido,
    em um forno que faz uma oxicombustão,caracterizado pelo fato de que:
    - a alimentação em ar de pelo menos uma parte dos queimadores é substituída por uma alimentação com comburente rico em oxigênio,
    - pelo menos uma parte do ar aquecido pelos meios de recuperação de energia é utilizada para pré-aquecer ocombustível e/ou o comburente rico em oxigênio dos queimadores através de troca de calor entre o ar aquecido (5) e o combustível (4) e/ou o comburente rico em oxigênio (3) .
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