BRPI0618504A2

BRPI0618504A2 - processo de injeção supersÈnica de oxigênio em um forno

Info

Publication number: BRPI0618504A2
Application number: BRPI0618504-5A
Authority: BR
Inventors: Philippe Beaudoin
Original assignee: Air Liquide
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2011-09-06
Also published as: FR2893122A1; US8317897B2; WO2007057588A1; CN101305104B; RU2008123531A; CN101305104A; EP1960557A1; FR2893122B1; BRPI0618504B1; US20080277843A1; RU2395771C2

Abstract

PROCESSO DE INJEçãO SUPERSÈNICA DE OXIGêNIO EM UM FORNO A invenção se refere a um processo e a um dispositivo de injeção supersónica de oxigênio em um forno, notadamente de tipo forno de cúpula, no qual o oxigênio total necessário ao funcionamento do forno é injetado com o auxílio de dois circuitos distintos: um primeiro circuito que compreende pelo menos uma tubulação de injeção supersónica de oxigênio; um segundo circuito que compreendemeios de injeção complementar de oxigênio, o segundo circuito sendo conectado ao primeiro circuito por meios sensíveis à pressão, tais como um vertedouro (ou regulador de pressão a montante) , de maneira a se obter uma pressão de oxigênio estável no primeiro circuito, desde que a vazão máxima deste seja atingida, o primeiro circuito podendo ser constituído de vários grupos de tubulações supersónicas.

Description

PROCESSO DE INJEÇÃO SUPERSÔNICA DE OXIGÊNIO EM UM FORNO

A presente invenção se refere a um processo de injeção supersônica de oxigênio em um forno de fusão, notadamente um forno vertical, no qual se carregam as matérias-primas, tais como coque e sucata, pelo topo, e no qual a combustão dos materiais combustíveis é realizada por injeção de ar, geralmente pré-aquecido, que vem reagir com o coque, a combustão tendo sido iniciada com o auxílio de queimadores de pré-aquecimento. Esses fornos são notadamente fornos de tipo cúpula que comportam um anel tórico instalado na base do forno de cúpula no qual se injeta o ar pré-aquecido por troca térmica com os gases de combustão, através de uma multidão de tubulações realizadas nesse anel tórico.

Para melhorar o funcionamento dos fornos de tipo forno de cúpula, ou aumentar sua produção, é conhecida injeção do oxigênio por meio de lanças supersônicas instaladas no centro de cada tubulação. Uma das vantagens dessa tecnologia é a penetração do oxigênio no centro do forno de cúpula, graças à elevada velocidade de injeção do oxigênio.

Todavia, em caso de baixa vazão de oxigênio, a pressão do oxigênio nas lanças diminui, resulta daí uma diminuição da velocidade do oxigênio injetado no forno de cúpula, (velocidade que se torna subsônica) , a penetração do oxigênio no centro do forno de cúpula sendo então menor que à elevada vazão de oxigênio (com uma pressão a montante da ordem de 8 a IOxlO5 Pascal no caso do forno de cúpula) .

Para se obter uma elevada velocidade de oxigênio, as lanças são geralmente dimensionadas para uma pressão de serviço de 9 χ IO5 Pascal aproximadamente (a montante do dispositivo convergente / divergente, constituindo o bocal de injeção supersônica instalado na extremidade da lança). Todavia, essa pressão é apenas obtida na vazão nominal da instalação: ela é apenas de 4,5 x 105 Pascal para um funcionamento a 60 % do nominal.

Para prevenir esse problema, foi proposto fazer funcionar todas as lanças de maneira alternativa, seja alternando os regimes "funcionamento" e "parada", seja alternando uma "vazão pequena" com uma "vazão forte". Nesses dois casos, a vazão máxima é obtida à pressão de serviço das lanças. Limita-se assim o funcionamento das lanças à baixa pressão que leva a uma pequena velocidade de injeção do oxigênio.

Essas técnicas conhecidas apresentam, todavia, os seguintes inconvenientes:

- complexidade da utilização (preço da instalação); confiabilidade das eletroválvulas submetidas ao número muito considerável de ciclos de abertura / fechamento;

conhecimento da vazão média consumida difícil de estabelecer, o que não facilita a comparação desses técnicos em relação a uma vazão estável;

- regulagem não contínua da vazão global, mas por grau de vazão.

Uma alternativa consiste em fazer funcionar um número crescente de lanças, em função da vazão, a fim de manter a pressão a mais estável possível nas lanças. Evitam-se assim as baixas pressões de funcionamento, quando a vazão de oxigênio é pequena.

Todavia, existe, em geral, uma dissimetria de injeção de oxigênio, prejudicial ao bom funcionamento do forno de cúpula.

Em todos os casos, as soluções descritas acima necessitam, além disso, de uma implantação de um automatismo complementar.

O processo e o dispositivo, de acordo com a invenção, permitem evitar esses inconvenientes. 0 processo da invenção é caracterizado pelo fato de o oxigênio total necessário ao funcionamento do forno ser injetado com o auxílio de dois circuitos distintos:

- um primeiro circuito que compreende pelo menos um bocal de injeção supersônica de oxigênio;

- um segundo circuito que compreende meios de injeção complementar de oxigênio, o segundo circuito sendo conectado ao primeiro circuito por meios sensíveis à pressão, tais como um vertedouro (ou mais geralmente meios reguladores de pressão a montante), de maneira a se obter uma pressão de oxigênio estável no primeiro circuito, desde que a vazão máxima deste é atingida.

No primeiro circuito, dispõe-se no interior de cada tubulação uma lança supersônica, cujo dimensionamento é previsto para um funcionamento à pressão ótima, dando a velocidade máxima de oxigênio (seja 900 kPa relativos para uma velocidade de mach 2,1 aproximadamente), essa pressão seja atingida para uma fração da vazão máxima total.

No segundo circuito, o oxigênio complementar para atingir a vazão total é injetado. Esse segundo circuito injetará o oxigênio no forno de cúpula por um segundo ponto de injeção, diferente do ponto de injeção das lanças supersônicas. A velocidade de injeção sobre esse segundo circuito será menor, mas o tempo de utilização do primeiro circuito.

De preferência, o segundo circuito será diretamente alimentado por uma "picotagem" sobre o primeiro circuito por meio de um vertedouro (ou um regulador de pressão disposto a montante do bocal supersônico) .

Assim, a pressão no primeiro circuito será estável, desde que a vazão máxima do primeiro circuito tenha sido atingida.

De preferência, o primeiro circuito é dimensionado de maneira a se obter uma velocidade de injeção supersônica do oxigênio, desde que uma fração da vazão total máxima de oxigênio, por exemplo, 60 % em volume, é atingida. De acordo com uma variante de realização, o processo da invenção é caracterizado pelo fato de o oxigênio do segundo circuito ser injetado no ar do forno de cúpula ou concentricamente em torno do jato de oxigênio supersônico, ou diretamente em pelo menos uma das tubulações de injeção do ar, de preferência a uma velocidade subsônica.

A invenção se refere também a um aparelho de aplicação desse processo, caracterizado pelo fato de comportar meios de injeção de oxigênio, tendo uma vazão máxima, um primeiro circuito que comporta pelo menos um bocal de injeção supersônica de oxigênio, um segundo circuito de injeção complementar de oxigênio, o primeiro e o segundo circuitos sendo conectados aos meios de injeção de oxigênio, meios sensíveis à pressão, tal como um vertedouro (ou regulador de pressão a montante), sendo interpostos entre os meios de injeção de oxigênio do primeiro circuito e do segundo circuito.

De preferência também, o primeiro circuito comporta uma pluralidade de grupos de pelo menos uma lança de injeção de combustível, cada grupo de lança sendo ativado sucessivamente, a fim de manter uma injeção supersônica de combustível no primeiro circuito, quando do aumento de vazão de combustível do primeiro circuito.

A invenção será melhor compreendida com o auxílio dos exemplos de realização seguintes, dados a título não limitativo, conjuntamente com as figuras que representam:

- a figura 1, um esquema de um forno de cúpula e de seu sistema de alimentação com combustível (ar quente), segundo a técnica anterior;

- a figura 2, um esquema de princípio de injeção de combustível, de acordo com a invenção;

- a figura 3, as curvas de vazão do combustível nos diferentes circuitos;

- a figura 4, um exemplo de realização da figura 2;

- a figura 5, uma vista em corte esquemático de um bocal de injeção de combustível e seu sistema de injeção de oxigênio supersônico;

- a figura 6, as curvas de vazão de combustível em um sistema multilanças que funciona por graus.

A figura 1 representa um esquema de um forno de cúpula 1, segundo a técnica anterior. As matérias metálicas 5, o coque 4, etc... são introduzidos pela abertura 2 (em camadas sucessivas) situada no topo desse forno de cúpula. Nas proximidades do topo 2 se acha um circuito de recuperação 3 dos gases quentes.

A caixa com ar 6 é alimentada em 7 com ar pré-aquecido em contato com as fumaças oriundas de 3, o ar sendo distribuído por intermédio das canalizações, tais como 18, a uma pluralidade de bocais, tais como 8 e 9, na parte baixa do alto forno. O metal fundido é recuperado em 11, depois 12, enquanto que a escória é recuperado em 10.

A figura 2 representa um esquema de princípio do sistema, de acordo com a invenção. A vazão total de oxigênio 21 é regulada pelos meios de regulagem de vazão 22, de maneira a se obter um enriquecimento de X % em oxigênio (volume) do ar quente do forno de cúpula. O primeiro circuito (26) corresponde ao circuito de injeção supersônica de oxigênio. O segundo circuito (27) corresponde ao circuito de vazão complementar de oxigênio à baixa velocidade.

A jusante do ponto 28, encontra-se o primeiro circuito 26 de injeção de oxigênio 24: o circuito 1 é alimentado com oxigênio, a pressão de 9 χ IO5 Pascal máxima é atingida com uma vazão máxima Ql em função do diâmetro dos bocais supersônicos instalados na extremidade das lanças. (Q1 = vazão de cada lança χ nb de lanças).

Encontra-se também o segundo circuito 27 conectado ao ponto comum 28 por um vertedouro 23 (regulado, por exemplo, para uma pressão a montante de 900 kPa) e uma canalização 25 .

Esse segundo circuito permite completar a vazão de oxigênio necessária ao funcionamento do forno de cúpula além da vazão Ql.

No exemplo da figura 2, o circuito 26 realiza a injeção de combustível pelas lanças supersônicas. O dimensionamento é previsto para um funcionamento ã pressão ótima que dá a velocidade máxima de oxigênio (seja 900 kPa relativos para uma velocidade de mach 2,1 aproximadamente). A figura 3 ilustra a repartição das vazões entre o primeiro circuito (supersônica) e o segundo circuito (complementar), assim como a evolução da pressão nas lanças supersônicas. A pressão de 900 kPa é atingida, desde que se atinja a vazão de 360 Nm3 / h (vazão determinada pela escolha do tamanho do injetor supersônico).

O forno de tipo forno de cúpula a ar quente trabalha no ótimo, quando a produção e os parâmetros de funcionamento são estáveis. Assim, o consumo de oxigênio é geralmente estabilizado.

A vazão de oxigênio pode ser aumentada, de maneira temporária, quando do acionamento ou quando de um aumento pontual de produção, geralmente para durações bastante curtas.

Com o sistema das lanças supersônicas de funcionamento continuo, as lanças são dimensionadas para a vazão máxima. No caso geral do funcionamento estabilizado, a velocidade do oxigênio é muito menor do que o esperado com o sistema supersônico (no exemplo do texto, salvo o caso particular, o termo oxigênio designa um combustível em geral, isto é, habitualmente um gás contendo pelo menos 21 % vol. de oxigênio até 10 0 % de oxigênio puro).

No sistema, de acordo com a invenção, a velocidade do oxigênio injetado é supersônica, desde que uma fração significativa da vazão é atingida (por exemplo, 60 % da vazão máxima). Além dessa vazão, o complemento de oxigênio é desviado para o segundo circuito de injeção, esse segundo circuito sendo utilizado apenas de maneira transitória: o

fato de ter uma velocidade menor, portanto uma eficácia menor dessa fração da vazão de oxigênio se torna secundária face à vantagem de injetar permanentemente 60% (caso de funcionamento excepcional) ou 90 a 100 % (caso de funcionamento normal) da vazão de oxigênio utilizado à velocidade muito alta.

Essa solução apresenta a vantagem de uma utilização simples e de uma transparência total para o operador que pode sempre regular a vazão total de oxigênio de maneira contínua.

Além disso, nenhum automatismo suplementar é introduzido.

A curva 3 0 representa a vazão de oxigênio no primeiro circuito sob a forma de injeção supersônica. Essa vazão alcança o máximo a cerca de 350 Nm3/h correspondendo à pressão máxima atingida em 21, seja aproximadamente 9 χ IO5 pascal (curva 31 em bária com 100 kPa aproximadamente igual a IO5 pascal) . O aumento de vazão (curva 32) é então realizado via o circuito 2 (27).

Define-se assim na figura 3 uma zona de funcionamento "normal" 33 (injeção supersônica de oxigênio via 26) e uma zona de funcionamento excepcional correspondente ao acionamento da instalação, a uma forte produção transitória, etc... via os circuitos 26 e 27.

A figura 4 descreve um exemplo de utilização do esquema de princípio da figura 2.

O combustível passa sucessivamente através de um filtro 40, um medidor de vazão 41, uma válvula de segurança 42, uma válvula proporcional 43, cuja saída é ligada ao ponto 47 onde se separam as canalizações 45 do primeiro circuito (26) e 46 do segundo circuito (27) que alimenta o vertedouro 44. A figura 5 é uma vista em corte do bocal de injeção 8, modificada, de acordo com a invenção.

A canalização de oxigênio 16 atravessa o veio de ar quente vindo de 14 para terminar nas proximidades da extremidade da tubulação 15 por um bocal de injeção supersônica 17 (convergente / divergente) .

A figura 6 ilustra a repartição da vazão entre o primeiro circuito 26 e o segundo circuito 27, no caso em que o primeiro circuito 26 é composto de 3 grupos de lanças com abertura sucessiva dos grupos por grau de vazão.

A fim de aumentar a flexibilidade da técnica, utilizam-se η grupos de lanças (por exemplo, três grupos de lanças), abrindo-se umas após as outras, conforme explicado a seguir. Além da vazão máxima do primeiro grupo de lanças, o funcionamento das lanças (circuito 1) em serviço será sempre supersônico.

O circuito 2 realiza a injeção de combustível em diluição no ar da vazão complementar A (diferença entre a vazão total A + B e a vazão das lanças em serviços Β) . A velocidade de injeção do combustível desse segundo circuito

é menor, mas a fração de vazão desse segundo circuito é pequena (15 % em média).

O circuito 2 é diretamente alimentado por uma picotagem sobre o circuito 1 por meio de um vertedouro.

Assim, a pressão no circuito 1 é estável, desde que a vazão máxima do primeiro grupo de lanças é atingida.

No exemplo da figura 6, as diferentes zonas numeradas de 1 a 4 correspondem ao funcionamento a seguir:

- funcionamento não supersônico (vazão inferior a 500 Nm3/h) : zona 1: primeiro grupo de lanças e vazão nula no circuito 2.

funcionamento supersônico (vazão entre 500 e 1100 Nm3/h) .

. zona 2: primeiro grupo de lança curva 60 (grau) mais vazão no circuito 2 (rampa 61 na figura) , o que no total dá a vazão A + B da figura 6.

. zona 3: o primeiro e o segundo grupos de lanças do circuito 1 funcionam, aos quais se acrescenta uma vazão sob a forma de rampa (61) no circuito 1. Quando na zona 3, a vazão constante do circuito 1 (60) e crescente do circuito 2 (61) terão atingido 900 Nm3/h, então o terceiro grupo de lança supersônica será ativado, a vazão do circuito 2 repassará a zero e achar-se-á então na zona 4.

. zona 4 : os três grupos de lanças do circuito 1 são ativados com uma vazão crescente no circuito 2. (As curvas 64 e 63) (ou CeD) representam a vazão de ar do ar enriquecido respectivamente a 3 % e 2 % vol. de oxigênio) .

A vazão de ar correspondente a um enriquecimento de 2 % (curva D) e de 3 % (curva C) é dada na figura 6. Um enriquecimento de 3 % permite diminuir a taxa de coque. Em relação ao funcionamento segundo a técnica anterior, a vazão de ar é reduzida de 10 a 15 %, essa baixa sendo compensada pela vazão suplementar de oxigênio e a diminuição da vazão de coque.

Claims

1. Processo de injeção supersônica de um combustível e notadamente de oxigênio em um forno, notadamente de tipo forno de cúpula, caracterizado pelo fato de o oxigênio total necessário ao funcionamento do forno ser injetado com o auxílio de dois circuitos distintos: - um primeiro circuito (26) que compreende pelo menos uma tubulação de injeção supersônica de oxigênio; - um segundo circuito (27) que compreende meios de injeção complementar de oxigênio, o segundo circuito sendo conectado ao primeiro circuito por meios sensíveis à pressão, tais como um regulador de pressão a montante, de maneira a se obter uma pressão de oxigênio estável no primeiro circuito, desde que a vazão máxima deste é atingida.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro circuito ser dimensionado de maneira a se obter uma velocidade de injeção supersônica do oxigênio, desde que uma fração da vazão total máxima de oxigênio, por exemplo, 6 0 % em volume, é atingida.

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o oxigênio do segundo circuito ser injetado no ar do forno de cúpula ou concentricamente em torno do jato de oxigênio supersônico, ou diretamente em pelo menos uma das tubulações de injeção do ar, de preferência a uma velocidade subsônica.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de o primeiro circuito comportar uma pluralidade de grupos de pelo menos uma lança de injeção de combustível, cada grupo de lança sendo ativado sucessivamente, a fim de manter uma injeção supersônica de combustível no primeiro circuito, quando do aumento de vazão de combustível do primeiro circuito.

5. Aparelho de aplicação do processo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de comportar meios de injeção de combustível, notadamente de oxigênio que tem uma vazão máxima, um primeiro circuito que comporta pelo menos um bocal de injeção supersônica de oxigênio, um segundo circuito de injeção complementar de oxigênio, o primeiro e o segundo circuitos sendo conectados aos meios de injeção de oxigênio, meios sensíveis à pressão, tal como um vertedouro ou um regulador de pressão a montante, que são interpostos entre os meios de injeção de oxigênio do primeiro circuito e do segundo circuito.