BRPI0615240A2 - aparelho para modificar o conteédo de um combustÍvel gasoso - Google Patents

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Abstract

APARELHO PARA MODIFICAR O CONTEéDO DE UM COMBUSTÍVEL GASOSO. A presente invenção refere-se a um aparelho para modificar o conteúdo de um combustível gasoso compreendendo: um suprimento de combustível gasoso (2); um suprimento de um oxidante (3); e um dispositivo de combustão (1, 9, 10) para utilizar o oxidante para queimar parcialmente uma primeira proporção do combustível para desta forma produzir produtos da combustão parcial, incluindo produtos de combustão intermediários, os produtos da combustão parcial misturando com a proporção remanescente de combustível não queimado parcialmente para desta forma prover o combustível modificado, em que a combustão é controlada de forma a prover os produtos de combustão intermediária requeridos para produzir um predeterminado combustível modificado.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOPARA MODIFICAR O CONTEÚDO DE UM COMBUSTÍVEL GASOSO".
A presente invenção refere-se a um aparelho para modificar oconteúdo de um combustível gasoso.
É conhecido diminuir a temperatura de combustão de máquinasde turbina a gás no sentido de reduzir o nível de subprodutos indesejáveisda combustão, isto é, para reduzir as emissões da máquina. A redução natemperatura reduz a produção de NOX (óxidos de nitrogênio). No entanto, aredução da temperatura não deve ser tão grande de outra forma isto iria re-sultar em um aumento na produção de monóxido de carbono e hidrocarbo-netos não queimados.
Um problema encontrado com a diminuição da temperatura deuma máquina de turbina a gás é a extinção da chama de combustão, ou (fa-lha). Em outras palavras, a redução na temperatura na combustão muitasvezes resulta em combustão instável. Se a mistura de combustível e arqueimada contem bolsas ricas em combustível então tais bolsas ajudam asustentar a combustão quando a temperatura é reduzida. No entanto, o níveldas emissões não será tão baixo quanto seria se a mistura queimada fosseuma mistura completa e uniforme na temperatura reduzida.
É conhecido endereçar este problema quando usando um com-bustível gasoso de máquina de turbina a gás, aditivando ou enriquecendo ocombustível com hidrogênio. O hidrogênio tem uma velocidade de chamamuito alta, e consequentemente atua para sustentar a chama de combustão.O hidrogênio usado pode ser derivado do próprio combustível por reforma-ção química do combustível. Alternativamente, pode ser usado hidrogênioengarrafado. A derivação de hidrogênio do próprio combustível é um proces-so complexo, e consequentemente oneroso. No caso de hidrogênio engarra-fado, podem ser requeridas muitas garrafas em um ambiente onde o espaçodisponível é limitado.
De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção éprovido um aparelho para modificar o conteúdo de um combustível gasosocompreendendo: um suprimento de combustível gasoso; um suprimento deum oxidante e um dispositivo de combustão para utilizar o oxidante paraqueimar parcialmente uma primeira proporção do combustível para destaforma produzir produtos da combustão parcial, incluindo produtos de com-bustão intermediários, os produtos da combustão parcial misturando com aproporção remanescente de combustível não queimado parcialmente paradesta forma prover o combustível modificado, em que a combustão parcial écontrolada de forma a prover os produtos intermediários requeridos paraproduzir um predeterminado combustível modificado.
Preferencialmente, o suprimento de combustível compreendeuma passagem ao longo da qual o combustível flui; o suprimento oxidantecompreende uma ou mais alimentações de entrada que passam através dasparedes da passagem; e o dispositivo que combustão é disposto substanci-almente dentro da passagem no caminho do fluxo de combustível ao longoda passagem.
Preferencialmente, o dispositivo de combustão compreende: umqueimador para misturar o oxidante com a dita primeira proporção do com-bustível; uma câmara de combustão a jusante do queimador no qual temlugar a dita combustão parcial da primeira proporção do combustível; e umdispositivo de ignição para inflamar a combustão parcial.
A câmara de combustão pode incluir furos de resfriamento emuma região a jusante da câmara, a dita proporção remanescente de combus-tível não queimado parcialmente passando do exterior para o interior da câ-mara através dos furos de resfriamento de forma a resfriar a combustão par-cial na câmara e misturar com o s ditos produtos da combustão parcial.
A câmara de combustão pode incluir furos de efusão por meiodos quais a dita proporção remanescente de combustível parcialmente nãoqueimado passa do exterior para o interior da câmara para resfriar as pare-des da câmara.
No aparelho descrito abaixo por meio de exemplo, o queimadorcompreende: uma placa a montante incluindo portas de oxidante que comu-nicam com as ditas alimentações de entrada; a jusante da placa um turbilho-nador radial para direcionar a dita primeira proporção do combustível de talforma que ele trafegue geralmente radialmente para dentro e adote um mo-vimento de redemoinho, o turbilhonador radial, recebendo oxidante das por-tas da placa para misturar com a primeira proporção do combustível; e a ju-sante do turbilhonador radial uma pré-câmara que recebe o fluxo de redemo-inho de combustível e oxidante do turbilhonador radial.
No aparelho descrito abaixo, por meio de exemplo, a placa amontante é formada de modo que o combustível seja capaz de passar emvolta/através de uma parte central da mesma, o combustível encontrando naparte central para resfriá-lo antes de passar em volta/através da parte centralpara atingir uma região central do turbilhonador radial.
Um aparelho descrito abaixo por meio de exemplo, inclui umaextensão de blindagem para a dita câmara de combustão promover a mistu-ra da dita proporção remanescente de combustível parcialmente não quei-mado com os ditos produtos da combustão parcial, sendo a extensão deblindagem espaçada das paredes da passagem de forma a ser resfriado pe-lo combustível que passa entre a extensão e as paredes.
Um aparelho descrito abaixo por meio de exemplo, inclui um di-odo de vórtice localizado a montante do dispositivo de combustão para redu-zir a passagem a montante das pulsações de pressão e/ou ruído de combus-tão causados pelo dispositivo.
Preferencialmente, o dito controle da combustão parcial compre-ende o controle da relação de oxidante para combustível na combustão par-cial para promover a produção do produto de combustão intermediário mo-nóxido de carbono.
O oxidante pode ser ar.
O combustível gasoso pode incluir metano.
A presente invenção se estende à máquina de turbina a gás in-cluindo a instalação em seu suprimento de combustível de um aparelho co-mo o acima mencionado.
De acordo com um segundo aspecto da presente invenção éprovido um método de modificar o conteúdo de um combustível gasosocompreendendo as etapas de: utilizar um oxidante para queimar parcialmen-te uma primeira proporção do combustível gasoso para desta forma produzirprodutos da combustão parcial incluindo produtos de combustão intermediá-ria; e misturar os produtos da combustão parcial com a proporção de com-bustível remanescente parcialmente não queimado, para desta forma provero combustível modificado, em que a combustão parcial é controlada de for-ma a prover os produtos de combustão intermediária requeridos para produ-zir um predeterminado combustível modificado.
A invenção será agora descrita por meio de exemplo, com refe-rência aos desenhos anexos, nos quais:
a Figura 1 é uma vista esquemática de um primeiro aparelho deacordo com a presente invenção;
a Figura 2, é uma vista tomada sobre a seta B na Figura 1;
a Figura 3, é uma vista tomada sobre a seta A na Figura 1;
a Figura 4, é uma vista em corte sobre a linha IV-IV na Figura 1;
a Figura 5 é uma vista esquemática de um segundo aparelho deacordo com a presente invenção;
a Figura 6 é uma vista em corte sobre a linha Vl-Vl na Figura 5;
a Figura 7 é uma vista esquemática de um terceiro aparelho deacordo com a presente invenção;
a Figura 8 é uma vista esquemática de um quarto aparelho deacordo com a presente invenção;
as Figuras 9a, 9b e 9c são mapas de produção de monóxido decarbono no uso de aparelhos de acordo com a presente invenção; e
a Figura 10 é uma tabela dos constituintes típicos da composi-ção de quatro combustíveis gasosos de máquina de turbina a gás.
O aparelho a ser descrito enriquece um suprimento do metanode combustível gasoso de máquina a turbina a gás com produtos de com-bustão parcial de uma proporção do suprimento, incluindo produtos interme-diários de combustão, especialmente monóxido de carbono. A alta velocida-de de chama do monóxido de carbono atua para sustentar a chama de com-bustão na combustão subsequente do combustível enriquecido pela máqui-na de turbina a gás. Ainda mais, o monóxido de carbono é particularmentebom em manter uma chama na fronteira entre taxas de fluxo alta e baixa,isto é, o monóxido de carbono tem uma alta resistência a pressão. Esta éuma propriedade desejável para impedir a falha de chama na combustão damáquina de turbina a gás.
Referindo-se às Figuras 1 a 4, o primeiro aparelho compreendeuma tubulação de suprimento de combustível metano de alta pressão 2, ali-mentações de entrada de ar 3, um queimador 1, um tubo de chama 10, e umdetonador 9. As alimentações de entrada 3 provêem suporte mecânico parao queimador 1. Alternativamente, podem ser providas estruturas de suporteseparadas. O combustível metano flui ao longo da tubulação de suprimento2 na direção da seta 14 para o suprimento de uma máquina de turbina a gás.O queimador 1 compreende uma placa frontal 6, um turbilhonador radial 5contendo passagens do turbilhonador 5a (vide Figura 4), e uma pré-câmara7.
O combustível metano flui desde a esquerda na Figura 1, e pas-sa entre as alimentações de entrada de ar 3.Uma proporção do combustívelentra nas passagens do turbilhonador 5a de forma a trafegar radialmentepara dentro em direção à pré-câmara 7. A proporção remanescente do com-bustível continua a fluir ao longo da tubulação de suprimento 2 para atingir otubo de chama 10.
Ar é suprido às alimentações de entrada de ar 3, e é injetado viaas portas 4 na face traseira da placa frontal 6. O combustível e ar misturam-se no fluxo de redemoinho dentro da pré-câmara 7 de tal maneira que a mis-tura combustível é formada no centro do fluxo afastado das paredes da pré-câmara 7.
Esta mistura de combustível passa para o tubo de chama 10. Odetonador 9 inflama a combustão inicial, vide chama 8. Depois, a combustãoé auto-sustentada. A formação da mistura combustível no centro da pré-câmara 7 afastado das paredes da pré-câmara 7 garante que os gasesquentes formados pela chama 8 não contatem as paredes do tubo de chama10 e assim não os danifique termicamente. Ainda mais, os furos de efusão11 são formados nas paredes do tubo de chama 10 para permitir a algumada acima mencionada proporção remanescente do combustível (a proporçãode combustível não queimado) a passar através do tubo de chama 10 paracarregar para fora o calor irradiado para o tubo 10 pela chama 8, vide seta-21.
O suprimento de ar via as alimentações de entrada 3 é dispostopara ser insuficiente para combustão completa do combustível com o qual oar é misturado na pré-câmara 7. Em outras palavras, é disposto que a mistu-ra ar/combustível na pré-câmara 7 é rica em combustível de forma que exis-ta somente combustão parcial dentro do tubo de chama 10. Esta combustãoparcial dá lugar à produção de produtos de combustão intermediários, espe-cialmente monóxido de carbono. O suprimento insuficiente de ar tambémgarante que a combustão dentro da tubulação de suprimento 2, não se torneincontrolável.
A combustão dentro do tubo de chama 10 é resfriada por jatosde diluição 12 formados pela proporção não queimada do combustível pas-sando através dos furos de resfriar 13 no tubo de chama 10. O resfriamentotambém atua para misturar completamente o combustível não queimadocom os produtos da combustão parcial, incluindo monóxido de carbono. Opronto resfriamento pelos jatos de diluição 12 minimiza a produção de produ-tos de combustão intermediários indesejáveis de carbono/fuligem (o carbonoleva um tempo relativamente longo para se formar quando comparado aomonóxido de carbono). A mistura dos produtos quentes da combustão parci-al com o combustível não queimado resfria os produtos da combustão pre-venindo-os de se tornarem muito quentes.
O combustível de metano enriquecido de monóxido de carbonoresultante é então suprido à máquina de turbina a gás.
A intenção é que a mistura ar/combustível parcialmente queima-da no tubo de chama 10 é de tal forma a produzir a máxima quantidade demonóxido de carbono.
Os mapas das Figuras 9a, 9b e 9c mostram a produção de mo-nóxido de carbono (fração molar) para várias relações de equivalência (E-QR s) e pressões. O mapa da Figura 9a assume uma temperatura de com-bustível metano de 300 Kelvin, o mapa da Figura 9b uma temperatura decombustível de 400 Kelvin, o mapa da Figura 9c uma temperatura de com-bustível de 500 Kelvin. A relação de equivalência (EQR) de uma misturaar/combustível é definida como a relação do combustível para ar na misturadividida pelo assim chamado valor estequiométrico. O valor estequiométricoé a relação de combustível para ar que produz combustão completa (comooposto de parcial). Assim, misturas ricas em combustível tem uma EQR aci-ma de um. As pressões nos mapas se referem à pressão do suprimento decombustível metano na tubulação de suprimento 2.
Pode ser visto que uma mistura de ar/combustível com um EQRde aproximadamente 2 a 3,5 tende a maximizar a produção de monóxido decarbono na faixa de temperatura de 300 a 500 Kelvin.
Referindo-se às Figuras 5 e 6, o segundo aparelho é o mesmocomo o primeiro com a exceção de que uma parte central 16 da placa frontal6 do queimador 1 é algo reduzida em espessura, e foi formada lá em voltade um intervalo anular 23. A parte central 16 é suportada dentro da placa 6pelas ligações de suporte 31 vide Figura 6. O combustível 15 colide sobre aface frontal da parte central 16 para resfriá-la antes de passar através dointervalo anular 23 para misturar o ar na pré-câmara 7. Em uma alternativapara um intervalo anular circundando a parte central 16, poderiam ser for-mados furos através do corpo principal da parte central 16. O combustívelpoderia colidir na face frontal da parte central 16 para resfriá-la antes depassar através dos furos para misturar com ar na pré-câmara 7.
Referindo-se à Figura 7, o terceiro aparelho é o mesmo como oprimeiro com a exceção de que a blindagem 17 foi adicionada para estendero tubo de chama 10. A blindagem 17 é resfriada pelo combustível que passaentre ela e a tubulação de suprimento de combustível 2. A blindagem 17 éde comprimento suficiente para garantir completa mistura do combustívelnão queimado dos jatos de diluição 12 com os produtos da combustão par-ciai do tubo de chama 10. A blindagem 17 garante que nenhum "ponto quen-te" de produtos de combustão parcial atinja as paredes da tubulação de su-primento 2 para enfraquecer/corroer/queimar as paredes.Referindo-se à Figura 8, o quarto aparelho é o mesmo como oterceiro com a exceção de que um diodo de vórtice 18 foi adicionado a mon-tante do queimador 1 para o propósito de reduzir significativamente a passa-gem a montante das pulsações de pressão e/ou ruído de combustão produ-zidos pelo aparelho, por exemplo, para evitar a perturbação de aparelho si-milar fluindo do mesmo coletor de combustível 19.
No aparelho descrito acima por meio de exemplo, um turbilho-nador radial mistura uma proporção de um suprimento de combustível gaso-so com ar de forma a criar uma mistura rica de combustível para combustãoparcial. Deve ser observado que esta mistura não necessita ser realizadautilizando um turbilhonador radial. Por exemplo, a mistura poderia ser reali-zada por um turbilhonador axial, ou por um outro dispositivo misturador aoinvés de um turbilhonador.
O aparelho descrito acima por meio de exemplo enriquece ocombustível de máquina de turbina a gás de metano puro com monóxido decarbono. È claro, que no caso de uso comercial real do aparelho, o combus-tível enriquecido de máquina de turbina a gás não seria metano puro, masseria combustível de máquina de turbina a gás comercial. Os seguintes sãoexemplos de três combustíveis de máquina de turbina comerciais: Biogás,Gás Natural UK, e Gás de Refinaria. A tabela da Figura 10 dá os constituin-tes típicos da composição destes três combustíveis.
No aparelho descrito acima por meio de exemplo, uma propor-ção de um combustível gasoso é tomada, parcialmente queimada, e entãomisturada com a proporção remanescente parcialmente não queimada paraprover o combustível final. A combustão parcial é controlada para promovera produção do monóxido de carbono como produto de combustão intermedi-ário de tal forma que o combustível final é enriquecido de monóxido de car-bono para ter desta forma estabilidade de combustão melhorada. No entan-to, deve ser observado que a combustão parcial pode ser controlada parapromover a produção de um produto de combustão intermediário diferentepara melhorar a estabilidade da combustão. A este respeito deve ser enten-dido que a intenção da combustão parcial é a de prover produtos intermediá-rios de combustão nos quais na qual, a valência de ligação química disponí-vel não é completamente preenchida. Tais produtos são altamente reativos eportanto têm uma alta velocidade de chama e resistência à pressão. Aindamais, tais produtos são também capazes de enfraquecer ou ("roubar") asligações das moléculas do combustível não queimado, aumentando a reati-vidade desta moléculas. Deve também ser observado que o combustívelfinal enriquecido está a uma temperatura aumentada devido à combustãoparcial. Esta temperatura aumentada também aumenta a reatividade docombustível.
Deve ser também entendido que a presente invenção tem o efei-to desejável de reduzir a quantidade limite de nitrogênio presente no com-bustível (FBN), reduzindo o FBN para N2. Embora o combustível gasoso te-nha usualmente um FBN muito pequeno, uma redução na quantidade deFBN que está presente é de uso quando procurando obter emissões ultra-baixas ou extremamente baixas do combustível.
O aparelho descrito acima por meio de exemplo, enriquece umcombustível gasoso para suprimento a uma máquina de turbina a gás. Deveser observado que a presente invenção poderia ser utilizada para enriquecerum combustível gasoso para suprimento a um motor de combustão internaalternativo, onde é requerido/desejável aumentar a taxa de queima do com-bustível no motor.

Claims (16)

1. Aparelho para modificar o conteúdo de um combustível gaso-so compreendendo: um suprimento de combustível gasoso (2); um supri-mento de um oxidante (3); e um dispositivo de combustão (1, 9, 10) parautilizar o oxidante para queimar parcialmente uma primeira proporção docombustível para desta forma produzir produtos de combustão parcial, inclu-indo produtos de combustão intermediários, os produtos da combustão par-cial misturando com a proporção restante de combustível não queimado par-cialmente para desta forma prover o combustível modificado, em que a com-bustão parcial é controlada de maneira a fornecer produtos de combustãointermediária necessários para produzir um predeterminado combustívelmodificado.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que o supri-mento de combustível (2) compreende uma passagem (2) ao longo da qual ocombustível gasoso flui; o suprimento de oxidante (3) compreende uma oumais alimentações de entrada (3) que passam através das paredes da pas-sagem (2); e o dispositivo de combustão (1, 9, 10) é disposto substancial-mente dentro da passagem (2) no caminho do fluxo de combustível ao longoda passagem (2).
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, em que o disposi-tivo de combustão (1, 9, 10) compreende: um queimador (1) para misturar ooxidante com a dita primeira proporção do combustível; uma câmara decombustão (10) a jusante do queimador (1) na qual tem lugar a dita combus-tão parcial da primeira proporção do combustível; e um dispositivo de ignição(9) para inflamar a combustão parcial.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, em que a câmarade combustão (10) inclui furos de resfriamento (13) na região a jusante dacâmara (10), a dita proporção restante de combustível não queimado parci-almente passando do exterior para o interior da câmara (10) via furos de res-friamento (13)de modo a resfriar a combustão parcial na câmara (10) e mis-turar com os ditos produtos da combustão parcial.
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 3 ou reivindicação 4,em que a câmara de combustão (10) inclui furos de efusão (11) por meio dosquais a dita proporção remanescente de combustível parcialmente nãoqueimado passa do exterior para o interior da câmara (10) para resfriar asparedes da câmara (10).
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 3 ou reivindicação 4,em que o queimador (1) compreende: uma placa a montante (6) incluindoportas de oxidante (4) que se comunicam com as ditas alimentações de en-trada (3); a jusante da placa (6) um turbilhonador radial (5) para direcionar adita proporção do combustível de tal forma que ele trafegue geralmente radi-almente para dentro e adote um movimento de redemoinho, o turbilhonadorradial (5), recebendo oxidante das portas de oxidante (4) da placa a montan-te (6) para misturar com a primeira proporção do combustível; e a jusante doturbilhonador radial (5) uma pré-câmara (7) que recebe o fluxo de redemoi-nho de combustível e oxidante do turbilhonador radial (5).
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, em que a placa amontante (6) é formada de modo que o combustível seja capaz de passarem volta/através de uma parte central (16) da mesma, combustível encon-trando na parte central (16) para resfriá-la antes de passar em volta/atravésda parte central (16) para atingir uma região central do turbilhonador radial (5).
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 4, ou qualquer umadas reivindicações 5 a 7, quando dependentes da reivindicação 4, compre-endendo ainda mais uma extensão de blindagem (17) para a dita câmara decombustão (10) para promover a mistura da dita proporção remanescente decombustível parcialmente não queimado com os ditos produtos da combus-tão parcial, a extensão de blindagem (17) sendo espaçada das paredes dapassagem (2) de forma a ser resfriado pelo combustível que passa entre aextensão (17) e as paredes.
9. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a-8, compreendendo ainda mais um diodo de vórtice (18) localizado a montan-te do dispositivo de combustão (1, 9, 10) para reduzir a passagem a montan-te das pulsações de pressão e/ou ruído de combustão causados pelo dispo-sitivo (1, 9, 10).
10. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que o dito controle da combustão parcial compreende ocontrole da relação de oxidante para combustível na combustão parcial parapromover a produção do produto de combustão intermediário monóxido decarbono.
11. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que o dito oxidante é ar.
12. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o dito combustível é um combustível de máquina deturbina a gás.
13. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que o dito combustível inclui metano.
14. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-15 a 11, em que o dito combustível gasoso é um combustível de motor a com-bustão interna.
15. Máquina de turbina a gás incluindo a instalação em seu su-primento de combustível de um aparelho como definido em qualquer umadas reivindicações de 1 a 13.
16. Método de modificar o conteúdo de um combustível gasosocompreendendo as etapas de: utilizar um oxidante para queimar parcialmen-te uma primeira proporção do combustível gasoso para desta forma produzirprodutos da combustão parcial incluindo produtos de combustão intermediá-ria; e misturar os produtos da combustão parcial com a proporção de com-bustível remanescente parcialmente não queimado, para desta forma provero combustível modificado, em que a combustão parcial é controlada de for-ma a prover os produtos de combustão intermediária requeridos para produ-zir um predeterminado combustível modificado.
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