BRPI0701346B1

BRPI0701346B1 - aparelho de chama e método de queima de um gás combustível

Info

Publication number: BRPI0701346B1
Application number: BRPI0701346A
Authority: BR
Inventors: Wilkins James; William White Jeff; Hong Jianhui; L Poe Roger
Original assignee: John Zink Co Llc
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2018-12-26
Also published as: ES2374725T3; SA111320273B1; CA2582103A1; JP4728269B2; ATE528586T1; AU2007201290A1; KR20070096980A; US7967600B2; JP2007263550A; EP1840462A2; SA07280145B1; TWI356893B; AR060128A1; KR100926490B1; MX2007003415A; TW200813373A; AU2007201290B2; CN101046294B; DK1840462T3; BRPI0701346A2

Abstract

aparelho de chama. a presente invenção refere-se a um aparelho de chama para queima de gases combustíveis. uma unidade de ponta de chama compre- ende um elemento interno e um elemento externo definindo um anel entre os mesmos. o anel define uma passagem de gás anular através da qual o gás combustível passa. o ar movido por uma força motriz, preferivelmente vapor, passa através do elemento interno e uma mistura de vapor/ar sai por uma saída do elemento interno, o gás combustível e uma mistura de ar/vapor mistura em uma zona de pré-mistura entre a saída do elemento interno e a abertura de saida do elemento de saída. a mistura de gás combustível/ar/vapor sofre ignição para queimar na atmosfera acima da abertura de saida. o aparelho de chama pode incluir uma pluralidade de unidades de ponta de chama.

Description

APARELHO DE CHAMA E MÉTODO DE QUEIMA DE UM GÁS COMBUSTÍVEL

Antecedentes da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um aparelho de chama aperfeiçoado e mais especificamente a um aparelho de chama auxiliado por vapor eficiente.

[002] O aparelho de chama para a queima e eliminação de gases combustíveis é bem conhecido. O aparelho de chama é comumente montado em chaminés de chama e é localizado em fábricas de produção, refinamento e processamento e similares para a eliminação de gases de despejo inflamáveis ou outras correntes de gás inflamável que são desviadas por qualquer razão incluindo, mas não limitado a, ventilação, desligamento, consertos e/ou emergências. O aparelho de chama é extremamente importante no caso de emergências na fábrica tal como incêndio ou falha de energia e um sistema de chama adequadamente operacional é um componente crítico para evitar a interrupção do funcionamento da fábrica em qualquer uma das circunstâncias mencionadas acima bem como outras.

[003] É geralmente desejável que o gás inflamável seja queimado sem a produção de fumaça e tipicamente tal queima sem fumaça ou substancialmente sem fumaça é mandatória. Um método para a realização da queima sem fumaça é suprir o ar de combustão com uma bomba com jato de vapor, que algumas vezes é referida como ejetor. O ar de combustão garante que o gás inflamável seja totalmente oxidado para impedir a produção de fumaça. Dessa forma, o vapor é comumente utilizado como uma força motriz para mover o ar em um aparelho de chama. Quando uma quantidade suficiente de ar de combustão é suprida, e o ar suprido se mistura bem com o gás

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2/22 combustível, a mistura de vapor, ar e o gás inflamável pode ser queimada sem produção de fumaça. Em um aparelho de chama típico, apenas uma fração do ar de combustão necessário é suprida utilizando-se a força motriz tal como um ventilador, uma bomba a jato utilizando vapor, ar comprimido ou outro gás. A maior parte do ar de combustão necessário é obtida a partir da atmosfera ambiente ao longo do comprimento da chama.

[004] Um tipo de aparelho de chama auxiliado por vapor conhecido compreende um tubo de gás geralmente cilíndrico dentro do qual o gás inflamável é comunicado. O vapor inferior é comunicado através de uma pluralidade de tubos e vapor em uma entrada e é forçado para negociar uma dobra no tubo de vapor, que causa uma queda de pressão. Na dobra, os tubos de vapor são redirecionados de forma que estejam em paralelo com o cilindro externo. O vapor central é injetado dentro do centro do tubo de gás de forma que o gás inflamável e o vapor passem para cima através do tubo externo e sejam misturados com o vapor que sai dos tubos de vapor inferiores. Na extremidade superior ou saída do tubo de gás, injetores de vapor direcionam o vapor radialmente para dentro para controlar a periferia da mistura que sai do tubo de gás, e a mistura de vapor/ar e gás é queimada. O vapor central é fornecido para garantir que a queima não ocorra internamente no tubo de gás. A queima interna é tipicamente observada a baixas taxas de fluxo de gás tal como taxas de purga, e é agravada por ventos cruzados, efeitos de coroamento causados pelo vapor superior, e se o gás de purga possuir um peso molecular mais baixo do que o ar. Uma taxa de purga é tipicamente a taxa mínima de fluxo de gás que flui

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3/22 continuamente para a chama para impedir a explosão da chaminé de chama.

[005] Outro tipo de chama auxiliada por vapor utiliza apenas os injetores de vapor central e superior, e funciona de forma similar. As chamas auxiliadas por vapor descritas aqui podem realizar a chama sem fumaça. No entanto, tal aparelho de chama pode criar uma quantidade excessiva de ruído. O ruído do vapor inferior pode ser amortecido, enquanto o ruído do vapor superior é difícil ou impossível de se amortecer devido à sua proximidade com a chama. Um silenciador para o vapor inferior não apenas aumenta os custos, mas também aumenta a carga de vento da chaminé de chama, resultando em um custo aumentado para a chaminé de chama. Devido ao alto custo da estrutura de chaminé de chama, tubulação e vapor associado com a distribuição do vapor, é desejável que menos vapor seja utilizado para se alcançar uma queima sem fumaça. Dessa forma, existe a necessidade de criar um aparelho de chama aperfeiçoado e métodos para a queima sem fumaça de gases combustíveis com ar para reduzir o ruído e para aumentar a eficiência onde mais combustível pode ser queimado com menos vapor adicionado.

Sumário da Invenção [006] Um aparelho de chama de acordo com a presente invenção inclui uma pluralidade de unidades de ponta de chama. Cada unidade de ponta de chama possui um elemento externo com primeira e segunda extremidades e um elemento interno definindo uma entrada e uma saída. Pelo menos uma parte do elemento interno é disposta e preferivelmente é coaxial ou concentricamente disposta no elemento externo. Uma passagem de gás anular é definida entre o elemento

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4/22 interno e externo de cada unidade de ponta de chama. Uma extremidade superior do elemento externo define uma abertura de saída enquanto uma extremidade superior do elemento interno define a saída do elemento interno. 0 ar passa através do elemento interno e sai pela saída do elemento interno para o elemento externo.

[007] O gás combustível passa através da passagem de gás anular e sairá da passagem de gás anular para dentro do elemento externo acima da saída do elemento interno onde o gás combustível se mistura com pelo menos o ar no elemento externo. O espaço entre a saída do elemento interno e a abertura de saída pode ser referido como uma zona de prémistura, visto que o gás e pelo menos ar se misturam nesse local antes de sair pela abertura de saída para queimar na atmosfera.

[008] Enquanto dispositivos mecânicos tais como ventiladores ou assopradores podem ser utilizados para mover o ar através do elemento interno, vapor é preferivelmente utilizado como a força motriz para o ar. Da mesma forma, o ar comprimido, nitrogênio, dióxido de carbono, gás combustível ou outros gases podem ser utilizados como uma força motriz similar à forma na qual o vapor é utilizado. Em uma modalidade preferida da presente invenção, o vapor é injetado em uma entrada do elemento interno a uma taxa suficiente para puxar o ar para dentro do elemento interno de forma que uma mistura de vapor e ar passe através da saída do elemento interno para dentro da zona de pré-mistura. Preferivelmente, o comprimento da zona de pré-mistura é maior do que a largura da passagem de gás anular e é preferivelmente pelo menos quatro vezes a largura da passagem

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5/22 de gás anular. A zona de pré-mistura fornece um espaço para o gás se misturar com o ar e o vapor e da mesma forma compreende um controle de perímetro.

[009] Em uma modalidade preferida, o aparelho de chama da presente invenção compreende uma pluralidade de unidades de ponta de chama, onde a passagem de gás anular em cada uma dentre a pluralidade de unidades de ponta de chama recebe gás de um único suprimento de gás combustível. O único suprimento de gás combustível pode ser, por exemplo, um plenum ao qual cada unidade de ponta de chama é conectada. O gás combustível pode ser comunicado do plenum para dentro da passagem de gás anular de cada unidade de ponta de chama e uma mistura de gás combustível e ar/vapor passará através da abertura de saída de cada uma das unidades de ponta de chama para a atmosfera. Cada unidade de ponta de chama na pluralidade de unidades terá preferivelmente um injetor de vapor associado com a mesma para o fornecimento da força motriz para o ar através do elemento interno da unidade de ponta de chama. O vapor é preferivelmente fornecido para cada um dos injetores de vapor a partir de uma única fonte. O gás combustível pode ser comunicado para o plenum através de um tubo de gás que será conectado a uma chaminé de chama.

Breve Descrição dos Desenhos [0010] A figura 1 é uma vista em perspectiva do aparelho de chama da presente invenção.

[0011] A figura 2 é uma vista em corte tirada a partir das linhas 22 da figura 1.

[0012] A figura 3 é uma vista em corte similar à figura de uma modalidade adicional da presente invenção possuindo um plenum de formato geralmente cilíndrico.

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6/22 [0013] A figura 4 é uma vista em corte de uma modalidade da invenção que utiliza um elevador de gás como um suprimento de gás.

[0014] A figura 5 é uma vista a partir da linha 55 da figura 4.

[0015] As figuras 6 e 7 são modalidades alternativas das unidades de ponta de chama.

[0016] As figuras de 8 a 14 são modalidades alternativas para as unidades de ponta de chama e especificamente modalidades que possuem configurações de elemento externo diferentes.

[0017] A figura 15 ilustra uma modalidade de uma única unidade de ponta de chama.

[0018] As figuras 16 e 17 são representações esquemáticas de um aparelho de chama da técnica anterior.

Breve Descrição da Modalidade Preferida [0019] Com referência agora aos desenhos, um aparelho de chama, que pode ser referido como uma ponta de chama 10 é ilustrado. O aparelho de chama 10 é adaptado para ser utilizado no topo de uma chaminé de chama, que como conhecido na técnica comunicará um gás combustível a partir de uma fonte de gás combustível para o aparelho de chama 10. O gás combustível pode ser um gás de despejo de uma refinaria, fábrica de processamento, fábrica química, local de produção, fábrica de produção LNG, ou outra fonte. O gás pode compreender, por exemplo, propano, propileno, gás natural, hidrogênio, monóxido de carbono, etileno ou outro gás. O aparelho de chama 10 inclui uma pluralidade de unidades de ponta de chama, ou estruturas de chama 15 para receber o gás combustível de um único suprimento de gás 20,

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1/22 que na figura 1 é um plenum 20. Um tubo de gás 25 conectável à chaminé de chama (não ilustrada) distribuirá o gás combustível da fonte de gás combustível para o plenum 20.

[0020] O aparelho de chama 10 pode incluir uma pluralidade de injetores de vapor 30 para fornecimento de uma força motriz para mover o ar através de cada unidade de ponta de chama 15. Dessa forma, cada unidade de ponta de chama 15 pode ter um injetor de vapor 30 associado com a mesma. Preferivelmente, o vapor é fornecido para cada injetor de vapor 30 a partir de uma única fonte de vapor (não ilustrada). A fonte de vapor pode ser conectada aos injetores de vapor e controlada por qualquer meio conhecido da técnica. Durante a operação, o gás combustível é distribuído para dentro do plenum 20 através do tubo de gás 25. Uma mistura de ar/vapor e gás combustível sai de cada uma das unidades de ponta de chama 15 e sofre ignição para realizar uma queima eficiente na atmosfera. O aparelho de chama 10 da presente invenção é mais eficiente do que as pontas de chama da técnica anterior visto que menos vapor é necessário. O aparelho 10 também opera com um nível de ruído mais baixo do que outros aparelhos de chama auxiliados por vapor. Essas e outras vantagens serão explicadas em mais detalhes abaixo.

[0021] Com referência agora à figura 2, cada unidade de ponta de chama 15 compreende um elemento tubular interno 32 e um elemento tubular externo 34 . O elemento interno 32 é preferivelmente um elemento interno geralmente cilíndrico possuindo um eixo geométrico central longitudinal 36. O

elemento interno 32	possui	uma	primeira	extremidade	ou
extremidade	inferior	38	e	uma	segunda	extremidade	ou
extremidade	superior	40.	Um	sino	de entrada 42 pode	ser

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8/22 definido na primeira extremidade 38. 0 sino de entrada direcionará o vapor para a entrada 44. 0 injetor de vapor 30 pode ser um injetor tipo aranha, onde os braços da aranha possuem furos através dos quais o vapor é injetado. O vapor pode ser direcionado para dentro da superfície do sino de entrada, e pode ser similar a um bocal Coanda interno. A entrada do elemento interno 44 é definida na extremidade inferior 38, enquanto a extremidade superior 40 define a saída do elemento interno 46. Na modalidade preferida pelo menos ar, e preferivelmente uma mistura de vapor/ar passará através do elemento interno 32 e através da saída do elemento interno 46 para dentro do elemento externo 34. O elemento interno 32 possui uma superfície externa 48 e uma superfície interna 50, que define uma passagem 52 para o ar, ou ar/vapor passando através da mesma. O elemento interno 32 é preferivelmente um cilindro reto da entrada 44 para a saída 46 sem quaisquer dobras, protuberâncias, depressões ou outras interrupções de forma que o fluxo de ar ou vapor e ar atravesse o mesmo sem interrupções.

[0022] O elemento externo 34 é preferivelmente coaxial com o elemento interno 32, e compartilha o eixo geométrico central longitudinal 36. O elemento externo 34 possui primeira extremidade ou extremidade inferior 54 e segunda extremidade ou extremidade superior 56. Uma abertura de saída 58 é definida na extremidade superior 56. O elemento externo 34 possui uma superfície externa 60 e uma superfície interna 62. Uma passagem anular que pode ser referida como uma passagem de gás anular 64 é definida por e entre o elemento interno 32 e o elemento externo 34. Uma entrada de gás 66 é definida na modalidade ilustrada na extremidade inferior 54

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9/22 do elemento externo 34 e uma saída de gás 68 é definida na extremidade superior 40 do elemento interno 32. Como é aparente a partir dos desenhos, a saída do elemento interno 46 é posicionada mais abaixo do que e é espaçada da abertura de saída 58. A distância entre a saída 46 e a abertura de saída 58 pode ser referida como uma zona de pré-mistura 70. O gás combustível que sai da passagem de gás anular 64 através da saída de gás 68 entrará na zona de pré-mistura 70 e se misturará com pelo menos ar, e na modalidade ilustrada uma mistura de ar e vapor passa através da saída de elemento interno 46. O gás combustível se misturará com a mistura de ar/vapor na zona de pré-mistura 70, e a mistura de gás/vapor/ar passará através da abertura de saída 58 e sofrerá ignição para queimar na atmosfera. Dessa forma, o comprimento da zona de pré-mistura é tal que o fluxo de ar , vapor no cilindro interno expandirá e se misturará com o gás combustível. Um comprimento 72 da zona de pré-mistura 70 é preferivelmente maior do que uma largura 74 da passagem de gás anular 64 e é mais preferivelmente pelo menos quatro vezes maior do que e mais preferivelmente de quatro a cinco vezes maior do que a largura 7 4 da passagem de gás anular 64. A parte do elemento externo 34 que se estende acima do elemento interno 32 para definir a zona de pré-mistura 70 também pode ser referida como uma parte de controle de perímetro visto que, em adição a permitir que o ar e o gás combustível se misturem antes de a combustão ocorrer, essa parte do elemento externo impede que o vento ambiente varra para longe o gás combustível não queimado ou cause fumaça na atmosfera.

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10/22 [0023] Em uma modalidade preferida, o elemento externo 34 compreende uma seção cilíndrica 78 que se estende a partir da extremidade inferior 54 do elemento externo para uma extremidade superior 80 da seção cilíndrica 78. A seção cilíndrica 78 pode ser referida como um cone convergente 82, se estende ascendentemente a partir da extremidade superior 80 e possui uma extremidade superior 84. O cone convergente 82 promoverá preferivelmente a mistura entre o gás e pelo menos ar. Uma segunda seção cilíndrica 86 se estende ascendentemente do cone convergente 82. A segunda seção cilíndrica 86 promoverá adicionalmente a mistura entre o gás e pelo menos ar e permitirá um perfil de velocidade mais homogêneo. A segunda seção cilíndrica 86 possui uma extremidade superior 88. Um cone direcionado radialmente para fora que pode ser referido como um cone divergente 90 se estende para cima a partir da extremidade superior 88. Preferivelmente, o cone divergente 90 diverge radialmente para fora a partir da segunda seção cilíndrica 86 em um ângulo de cerca de 45. Um anel de retenção de chama 92 que é preferivelmente um anel de retenção de chama geralmente horizontal se estende radialmente para dentro a partir da extremidade superior 91 do cone divergente 90. O anel de retenção de chama 92 pode ter uma pluralidade de aberturas 99 que permitirão que a mistura de combustível passe através das mesmas e forme uma chama estável no anel de retenção de chama 92. A figura 1 ilustra oito aberturas 97. No entanto, haverá preferivelmente mais aberturas com um espaçamento menor do que o espaçamento ilustrado na figura 1. O anel de retenção de chama 92 preferivelmente não obstruirá ou limitará o fluxo da mistura de ar/vapor e gás combustível de

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11/22 forma que não fará com que o gás combustível flua para trás ou para baixo no elemento interno no caso onde a mídia auxiliar ou gás motriz (isto é, vapor, ar comprimido, gás combustível ou qualquer outro gás) ou ar do assoprador é perdido. 0 diâmetro interno do anel de retenção de chama 92, que compreende a abertura de saída 58, é preferivelmente igual a ou apenas ligeiramente menor do que o diâmetro interno da segunda seção cilíndrica 86. Preferivelmente, o diâmetro interno do anel de retenção de chama 92 é tal que a abertura de saída 58 possui uma área transversal não inferior à área transversal da saída de gás anular 68, e mais preferivelmente, 20% maior do que a área de saída de gás 68.

[0024] Na modalidade da figura 2, o plenum 20 compreende uma placa superior geralmente curva 93 e uma placa inferior curva 94 que em seção transversal formam um formato geralmente oval, e que definem um interior do plenum 95. O elemento externo 34 se estende para dentro do interior do plenum 95, de forma que a extremidade inferior 54 e a entrada de gás 66 sejam dispostas no mesmo. O elemento externo 34 pode ter um sino de entrada 97. Alternativamente, o elemento externo 34 pode terminar na extremidade inferior 54 na placa superior curva 93, de forma que a entrada de gás 66 possa ser definida na placa superior curva 93. O elemento interno 34 se estende completamente através do plenum 20, de forma que as primeira e segunda extremidades 38 e 40, respectivamente, sejam posicionadas fora do plenum 20. Dessa forma, um único suprimento de gás combustível, isto é, o plenum 20, fornece gás combustível para uma pluralidade de unidades de ponta de chama 15 e mais especificamente comunica

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12/22 o gás de uma fonte de gás combustível (não ilustrada) , que entra no plenum 20 através do tubo de gás 25 para a passagem de gás anular 64 de cada unidade de ponta de chama 15.

[0025] O gás combustível sai da passagem de gás anular 64 através da saída de gás 68 e entra na zona de pré-mistura 70. O gás combustível se mistura com pelo menos ar que é movido através do elemento interno 32. Preferivelmente, o ar é movido através de cada elemento interno 32 com o vapor que é injetado dentro do elemento interno 32 com um injetor de vapor 30. Como apresentado aqui, o vapor é preferivelmente fornecido para cada injetor 30 a partir de uma única fonte de vapor, e é injetado a uma taxa de forma que o ar seja puxado para dentro do elemento interno 32 juntamente com o vapor através da entrada 44. O injetor de vapor 30 pode compreender um injetor tipo aranha, ou outro injetor conhecido, ou o injetor de vapor e o sino de entrada 42 podem agir de forma similar a um bocal Coanda interno. Uma mistura de ar/vapor passará através da saída do elemento interno 46 para dentro da zona de pré-mistura 70 e se misturará ao gás combustível. A mistura de combustível e ar/vapor passará através da abertura de saída 58 onde sofrerá ignição e será queimada na atmosfera.

[0026] Outras configurações de plenum podem ser utilizadas, e a descrição aqui não deve ser limitadora. Por exemplo, o aparelho de chama 10a ilustrado na figura 3 possui um plenum 96 que compreende um tambor geralmente cilíndrico com uma placa inferior 98, uma placa superior 100 e uma parede lateral 102 conectando as placas superior e inferior 98 e 100. Elementos similares das unidades de ponta de chama são numerados de forma similar às unidades de ponta de chama

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13/22 na figura 2, mas incluem um subscrito a. 0 plenum 96 define um interior de plenum 104 ao qual o gás combustível é fornecido como explicado com relação à modalidade ilustrada na figura 2. Na modalidade ilustrada na figura 3, uma vedação molecular, ou vedação tubular 106 é incluída. A vedação molecular 106 possui uma extremidade inferior 108 conectada à placa inferior 98 e se estendendo ascendentemente a partir daí para uma extremidade superior 110. A extremidade superior 110 é posicionada em uma elevação acima da extremidade inferior 54a do elemento externo 34a e circunscreve a extremidade inferior 54a de forma que um anel de vedação 112 seja definido entre a vedação molecular 106 e o elemento externo 34a. Dessa forma, a extremidade inferior 54a do elemento externo 34a é posicionada com o interior do plenum 104 na modalidade ilustrada na figura 3. O gás combustível deve passar para dentro do plenum 86 e em torno da extremidade superior 110 da vedação molecular 106, em torno da extremidade inferior 54a do elemento externo 34a e para cima e para dentro da passagem de gás anular 64a. A vedação molecular 106 é opcional mas pode ser utilizada para reduzir a possibilidade de qualquer queima interna ou exigências de gás de purga. A vedação molecular 106 impedirá o ar de se mover dentro do plenum 96 e impedirá a queima no plenum. Se o ar for mais pesado do que o gás combustível o ar assentará no fundo da vedação molecular 106. Se o ar for mais leve do que o gás combustível, o mesmo será empurrado para fora pelo gás combustível.

[0027] A figura 4 ilustra um aparelho de chama 10b da presente invenção, onde o suprimento de gás compreende um elevador 114 que recebe gás do tubo de gás 25. O elevador de

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14/22 gás 114 distribuirá gás através de raios tubulares 116 que, por sua vez, comunicarão, cada um, o gás para as unidades de ponta de chama como descrito aqui. As unidades de ponta de chama na figura 4 são numeradas de forma similar à figura 2 e incluem o subscrito b.

[0028] O aparelho de chama da presente invenção fornece várias vantagens sobre o aparelho de chama da técnica anterior, uma configuração do qual é esquematicamente ilustrada nas figuras 16 e 17. A ponta de chama da técnica anterior 116 possui um cilindro externo 118 dentro do qual o gás combustível é comunicado. O vapor é injetado para dentro do cilindro externo 118 através de um injetor de vapor central 120. Uma pluralidade de injetores de vapor inferiores 122 direcionam o vapor para dentro de uma pluralidade de tubos de vapor inferiores 124. O gás combustível se move no cilindro externo 118 entre os tubos de vapor inferiores 124. O vapor superior é injetado através dos injetores de vapor superiores 126. O vapor superior é necessário para manter o controle de perímetro e para fornecer uma mistura eficiente de ar/vapor e gás combustível acima do cilindro externo 118 para uma queima sem fumaça.

[0029] A ponta de chama 116 exige mais vapor do que o aparelho de chama da presente invenção, visto que o vapor dos injetores 122 deve fazer dobras e curvas ao invés de seguir o percurso direto definido pelos elementos internos 32 da presente invenção. Adicionalmente, devido aos injetores de vapor centrais e superiores exigidos e algumas vezes dos injetores de vapor inferiores, o ruído gerado pela configuração da técnica anterior é muito maior e pode exigir silenciadores para o vapor inferior. O vapor superior é

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15/22 difícil ou impossível de se amortecer visto que a chama pode danificar os silenciadores. Cada unidade de ponta de chama da presente invenção exige apenas um local de injeção para o vapor e só exige uma fonte de vapor enquanto fontes separadas de vapor são tipicamente necessárias para os injetores de vapor superior, inferior e central na configuração da técnica anterior. Apesar de algumas vezes o vapor central, inferior e superior poderem ser conectado a uma linha de vapor comum, isso reduz a flexibilidade da operação e pode criar problemas.

[0030] Por exemplo, a conexão do vapor central ao vapor inferior ou superior torna impossível se desligar o vapor central sem desligar as outras fontes de vapor que compartilham a mesma linha de vapor. Sob condições adversas, é desejável se desligar o vapor central e manter as outras fontes de vapor em funcionamento. Essas condições adversas incluem mas não estão limitadas a 1) congelamento ou clima ártico, 2) gás ácido, 3) gás que reage com água para formar polímero. Sob uma ou mais das condições adversas mencionadas acima, o desligamento do vapor central exige tipicamente um aumento substancial na taxa de gás de purga para impedir que a queima interna danifique a ponta de chama rapidamente. A taxa de gás de purga aumentada frequentemente representa um alto custo para o usuário final. A presente invenção não exige um vapor central ou uma alta taxa de purga para impedir a queima interna. O teste mostrou que quando uma quantidade mínima de força motriz (por exemplo, vapor ou ventilador) está disponível, a queima interna não ocorre na passagem de gás anular 64 ou no plenum 20, ou no tubo 25. No caso de uma falha completa de vapor na presente invenção, a queima

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16/22 interna pode ser impedida, ou pelo menos limitada por: 1) direcionamento de outro gás motriz tal como ar comprimido ou nitrogênio para a linha de vapor; 2) aumento da taxa de purga substancialmente, qualquer um dos dois podendo ser automatizado.

[0031] Outra desvantagem da configuração da técnica anterior é a dificuldade na coordenação de controles separados do vapor inferior e superior. O vapor superior é tipicamente injetado verticalmente e para dentro. O vapor superior de diferentes bocais de vapor pode colidir no centro acima da ponta de chama, causando uma zona local de alta pressão. A zona de alta pressão pode acionar uma mistura de combustível para dentro da ponta de chama causando a queima interna, e para baixo nos tubos de vapor inferiores o que pode fazer com que toda a ponta de chama seja envolvida em chamas. Isso é comumente referido como efeito de capeamento do vapor superior. Se a taxa de vapor inferior for insuficiente para superar o efeito de capeamento, a mistura de combustível pode percorrer descendentemente e para trás e sair na entrada dos tubos de vapor inferiores, e a ponta de chama será envolvida em chamas causando danos rápidos à ponta. Portanto, é necessário se manter uma taxa de fluxo de vapor inferior suficiente com relação ao vapor superior. A presente invenção exige apenas uma fonte de vapor, eliminando, assim, a necessidade de se coordenar o controle do vapor superior e inferior.

[0032] O aparelho de chama das figuras 1 e 2 compreende o plenum 20 e seis unidades de ponta de chama 15. A modalidade do elevador da figura 4 possui quatro unidades de ponta de chama. Mais ou menos unidades de ponta de chama podem ser

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17/22 utilizadas no aparelho de chama da presente invenção e se desejado uma única unidade de ponta de chama pode ser utilizada como o aparelho de chama. Por exemplo, a figura 15 ilustra uma única unidade de ponta de chama 130. A unidade de ponta de chama 130 é similar a cada unidade de ponta de chama 15 e dessa forma possui um elemento interno 132 e um elemento externo 134 definindo uma passagem de gás anular 136. O elemento externo 134 define uma abertura de saída 138. O elemento interno 132 é geralmente idêntico ao elemento interno descrito anteriormente 32 e receberá preferivelmente o vapor de um injetor de vapor 140 ou se desejado pode simplesmente receber ar de um ventilador ou outra estrutura conhecida para mover o ar através do elemento interno 132. É compreendido que o elemento interno 132 pode, opcionalmente, incluir um sino de entrada. Na modalidade preferida, o vapor será injetado a uma taxa suficiente para entranhar o ar e mover o ar ascendentemente através do mesmo através de uma saída 142 na extremidade superior do elemento interno 132 e para dentro de uma zona de pré-mistura 144. O elemento externo 134 possui uma extremidade inferior fechada 145, e a entrada de gás combustível 146 é definida através do lado do elemento externo 134. Do contrário, o elemento externo 134 é substancialmente idêntico ao elemento externo descrito previamente 34. O gás combustível será fornecido a partir de uma chaminé de chama como é sabido na técnica. A operação de uma única unidade de ponta de chama 130 é como descrito com relação às unidades de ponta de chama 15 visto que a mistura de vapor/ar e gás combustível misturada na zona de pré-mistura 144 sai através da abertura de saída 138 e queima, preferivelmente sem fumaça, na atmosfera.

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18/22 [0033] O elemento externo das unidades de ponta de chama do aparelho de chama descrito aqui pode compreender várias configurações diferentes. As partes superiores de algumas configurações ilustrativas são ilustradas nas figuras de 8 a 14. A figura 8 ilustra um elemento externo 150 com um cone convergente 152 se estendendo ascendentemente a partir da seção geralmente cilíndrica 154 do mesmo. O ângulo do cone 155 é de entre 0^o e 75° e preferivelmente de aproximadamente 17. A abertura de saída 156 definida pelo cone convergente 152 possui preferivelmente uma área não inferior a, e mais preferivelmente, 20% maior do que a área do ponto de restrição 158 da passagem de combustível anular que é essencialmente a saída de gás anular. Se for desejável, a extremidade superior do elemento interno da unidade de ponta de chama pode ser encaixada com um cone convergente 160 ou cone divergente 162 como ilustrado nas figuras 9 e 10.

[0034] O elemento externo da unidade de ponta de chama na figura 11 possui primeiro e segundo cones convergentes 164 e 166 se estendendo ascendentemente a partir da parte cilíndrica 167 do elemento externo da unidade de ponta de chama onde o ângulo de cone 168 do primeiro cone convergente 164 é inferior ao ângulo de cone 170 para o segundo cone convergente 166. Na figura 12, a parte geralmente cilíndrica 171 do elemento externo pode ter primeiro e segundo cones convergentes 172 e 174, respectivamente, onde o primeiro ângulo de cone 176 é maior do que o segundo ângulo de cone 178. Um formato hiperbólico 180 se estende ascendentemente a partir da seção cilíndrica 182 do elemento externo da unidade de ponta de chama ilustrada na figura 13. A configuração mais simples de uma unidade de ponta de chama

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19/22 é ilustrada na figura 14, que simplesmente possui elementos interno e externo cilíndricos retos 184 e 186. É compreendido que cada uma das unidades de ponta de chama ilustradas nas figuras de 8 a 14 operará como as unidades de ponta de chama 15 descritas aqui. As figuras de 8 a 14 são adicionadas simplesmente para exemplificar as diferentes configurações que são possíveis. 0 elemento interno em todos os casos é preferivelmente um cilindro reto da entrada para a saída do mesmo com um sino de entrada opcional para direcionar o vapor.

[0035] Como discutido aqui, a modalidade preferida das unidades de ponta de chama compreende unidade de ponta de chama 15, que possui um elemento externo 34 e um elemento interno 32 onde o elemento interno 32 é substancialmente reto a partir da entrada 4 4 até a saída 4 6 do mesmo. Se desejado, as unidades de ponta de chama podem ser utilizadas onde o elemento interno possui uma dobra como apresentado nas figuras 6 e 7. Aí, as unidades de ponta de chama 200 e 200a, respectivamente, são ilustradas. A unidade de ponta de chama 200a é similar à ponta de chama 200 e dessa forma as mesmas referências numéricas serão utilizadas para partes comuns com o subscrito a. A unidade de ponta de chama 200a adiciona um local de injeção de vapor adicional, de forma que a descrição básica será com relação à unidade de ponta de chama 200.

[0036] A unidade de ponta de chama 200 possui um elemento interno 202 e um elemento externo 204. O elemento interno 202 define uma passagem 203 e recebe ar, e preferivelmente o ar é movido por vapor de um injetor de vapor 206. O vapor e o ar entram na entrada 208 do elemento interno 202. O vapor

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20/22 e o ar passam através de uma saída 210 do elemento interno 202. 0 elemento interno 202 passa através de um lado do elemento externo 204 e possui uma dobra 211 a partir de uma seção de entrada 212 para uma seção geralmente vertical 214. 0 gás é comunicado para dentro do elemento externo 204 e passa de forma ascendente através de uma passagem de gás anular 216 definida entre a parte vertical 214 do elemento interno 202 e o elemento externo 204. A seção vertical 214 e o elemento externo 204 são coaxiais e compartilham o eixo geométrico central longitudinal 215. Uma zona de pré-mistura 218 é definida entre a saída 210 e a abertura de saída 220 do elemento externo 214. A unidade de ponta de chama 200a é idêntica exceto que o vapor é injetado dentro do elemento interno a partir de um plenum em formato de rosquinha 222 que possui uma pluralidade de aberturas 223 para comunicar dentro do elemento interno 202.

[0037] O aparelho de chama, se utilizado como uma única unidade de ponta de chama ou como uma pluralidade de unidades de ponta de chama com um único suprimento de gás combustível reduz a quantidade de vapor necessária para se alcançar a queima sem fumaça. Por exemplo, para uma única unidade de ponta de chama compreendendo dois cilindros retos como ilustrado na figura 14, uma taxa de consumo de vapor de 1.452 kg (3.200 libras) por hora alcança uma combustão sem fumaça de 5902 kg (13.000 libras) por hora de propileno. O elemento interno tem um elemento tubular de 20,32 cm (8 polegadas) de diâmetro e o elemento externo tem um elemento tubular de 30,48 cm (12 polegadas) de diâmetro. Um aparelho da técnica anterior dimensionado de forma similar ao ilustrado nas figuras 16 e 17, mas que utiliza apenas injetores de vapor

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21/22 central e superior, exige 2724 kg (6000 libras) por hora de vapor para alcançar a queima sem fumaça de 7264 kg (16.000 libras) por hora de propileno. Dessa forma, existe uma redução de 34% do consumo de vapor. Quando a unidade única como descrito aqui é matematicamente multiplicada pelo fator de dois para um elemento interno de 40,64 cm (16 polegadas) de diâmetro e um elemento externo de 60,96 cm. (24 polegadas) de diâmetro, e a zona de pré-mistura modificada para a da figura 15, 5902 kg (13.000 libras) por hora de vapor são necessários para 17706 kg (39.000 libras) por hora de combustão sem fumaça de propileno. Para um aparelho de chama dimensionado de forma similar como o ilustrado nas figuras 16 e 17, 7264 kg (16.000 libras) por hora de vapor são necessários para se alcançar a queima de 15663 kg (34.500 libras) por hora de propileno que é uma redução de 2 8% do vapor para propileno. Quando uma pluralidade de unidades de ponta de chama são conectadas por um plenum, a eficiência aperfeiçoada é similar à das unidades de ponta de chama singulares, e em muitos casos pode ser maior visto que o espaço entre as múltiplas unidades de ponta de chama 15 permite que o ar da atmosfera seja entranhado nas chamas individuais a partir de cada unidade de ponta de chama. Cada unidade de ponta de chama individual possui uma chama acima da mesma e em algum ponto todas as chamas se misturarão e formarão uma chama geralmente cilíndrica com um interior oco. O ar pode ser entranhado nas chamas misturadas a partir do interior oco. Por fim à medida que a altura da chama cresce, uma única chama pode existir. Devido ao entranhamento de ar adicional na chama a partir da atmosfera, a presente invenção é mais eficiente em termos de desempenho sem fumaça

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22/22 do que a configuração da técnica anterior que compreende uma única chama à medida que sai da ponta da chama e, portanto, aprisionará menos ar da atmosfera do que a presente invenção.

[0038] Dessa forma, foi observado que a presente invenção está bem adaptada para realizar os objetivos e atingir os fins e as vantagens mencionados acima além de outros inerentes aqui. Enquanto determinadas modalidades preferidas da invenção foram descritas para fins dessa descrição, inúmeras mudanças na construção e disposição de partes e desempenho de etapas podem ser realizadas pelos versados na técnica, mudanças essas que são englobadas dentro do escopo e espírito dessa invenção como definida pelas reivindicações em anexo.

Claims

1. Aparelho de chama (10) para queima de um gás combustível, compreendendo:

uma pluralidade de unidades de ponta de chama (15) compreendendo:

um único elemento externo (34) possuindo primeira (54) e segunda (56) extremidades; e um único elemento interno (32) possuindo uma entrada (44) e uma saída (46), em que pelo menos uma parte do elemento interno (32) é disposta no elemento externo (34)

para definir uma passagem de gás anular (64) ; o aparelho caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um plenum (20) , em que cada uma da pluralidade de

unidades de ponta de chama (15) sendo conectada ao plenum (20) , o plenum (20) definindo um interior do plenum para recebimento de gás a partir de uma fonte de gás combustível e para comunicação do gás combustível para a passagem de gás anular (64) de cada das unidades de ponta de chama (15), em que o gás combustível saindo da passagem de gás anular (64) mistura no elemento externo (34) com pelo menos ar passando através da saída (46) de cada elemento interno (32) e a mistura de pelo menos ar e gás combustível passa através de uma abertura de saída definida na segunda extremidade (56) do elemento externo (34), e em que a primeira extremidade (54) de cada elemento externo (34) é localizada dentro do interior do plenum e o elemento externo (34) se estende a partir do interior do plenum para um exterior do plenum e o elemento interno (32) passa completamente através do plenum (20), de forma que a abertura do elemento interno (44) e a

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Ί/1 saida (46) de cada unidade de ponta de chama (15) são fora do plenum (20).

2. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira extremidade (54) de cada elemento externo (34) define a entrada de gás para a passagem de gás anular (64).

3. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 1 ou

2, caracterizado pelo fato de que o plenum (96) compreende: uma placa superior geralmente plana (100);

uma parede lateral cilíndrica (102) conectada e se estendendo para baixo da placa superior (100); e uma placa inferior plana (98) conectada à parede lateral cilíndrica (102), a placa inferior (98) possuindo uma abertura (25) para o recebimento de gás combustível, em que as placas superior e inferior e a parede lateral definem o interior do plenum (104).

4. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma pluralidade de vedações tubulares (106), cada vedação tubular se estendendo ascendentemente a partir da placa inferior (98) e circunscrevendo a extremidade inferior do elemento externo de cada unidade de ponta de chama.

5. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o plenum (2 0) compreende uma placa superior curva (93) conectada a uma placa inferior curva (94) para definir o interior do plenum (95).

6. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as placas superior e inferior curvas são conectadas por uma parede lateral.

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7. Aparelho de chama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente injetores de vapor (30) para injetar vapor para dentro de cada elemento interno (32) em que o vapor puxa o ar para dentro do elemento interno (32) de forma que uma mistura de ar/vapor passe através da saída do elemento interno e se misture no elemento externo com o gás combustível, e em que uma mistura de vapor/ar e gás combustível passa através da abertura de saída de cada unidade de ponta de chama.

8. Aparelho de chama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um injetor de chama (30) associado com cada elemento interno (32) para injetar vapor para dentro dos elementos internos de cada unidade de ponta de chama em uma taxa suficiente para puxar ar para dentro do elemento interno e mover o ar através do mesmo.

9. Aparelho de chama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, car ac ter i zado pelo fato de que cada elemento externo (34) compreende:

uma parte geralmente cilíndrica (78);

um cone convergente (82) se estendendo ascendentemente a partir da primeira parte cilíndrica; e uma segunda parte cilíndrica (86) se estendendo ascendentemente a partir do cone convergente.

10. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de cada elemento externo (34) compreender adicionalmente:

uma zona divergente (90) se estendendo ascendentemente a partir da segunda seção cilíndrica; e

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4/7 um anel de retenção de chama (92) se estendendo internamente a partir da zona divergente e definindo a abertura de saída.

11. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de cada unidade de ponta de chama (15) definir uma zona de pré-mistura (70) entre a saída do elemento interno e a abertura de saída na qual uma mistura de vapor/ar saindo da saída do elemento interno se mistura com o gás combustível que sai da passagem de gás anular antes da mistura de gás/vapor/ar passar através da abertura de saída.

12. Aparelho de chama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de uma parte do elemento externo (34) que se estende acima do elemento interno de cada unidade de ponta de chama compreender uma parte de controle de perímetro.

13. Aparelho de chama, de acordo com a reivindicação 8 ou 11, caracterizado pelo fato de que os injetores de vapor (30) recebem vapor de uma única fonte de vapor.

14. Aparelho de chama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato que as unidades de ponta de chama (15) serem espaçadas de forma que cada unidade de ponta de chama tenha uma chama individual acima da mesma espaçada das chamas individuais acima das outras das unidades de ponta de chama.

15. Aparelho de chamas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que todo gás recebido no interior do plenum é comunicado para dentro das passagens de gás anular das unidades de ponta de chama.

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16. Aparelho de chamas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que o elemento interno (32) de cada unidade de ponta de chama possui um eixo geométrico longitudinal reto a partir da entrada do elemento interno para a saída do elemento interno.

17. Aparelho de chama, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que o elemento interno (32) de cada unidade de ponta de chama compreende um cilindro reto a partir da entrada do elemento interno para a saída do elemento interno.

18. Método de queima de um gás combustível caracterizado pelo fato de compreender:

a) fornecimento de gás combustível para um plenum (20), o plenum (20) tendo uma pluralidade de unidades de ponta de chama (15) conectadas ao mesmo, cada unidade de ponta de chama (15) compreendendo elementos tubulares interno (32) e externo (34) que definem uma passagem de gás anular (64) entre os mesmos;

b) comunicação do gás combustível a partir do plenum (20) para dentro das passagens de gás tubular (64) de cada unidade de ponta de chama (15);

c) movimentação de pelo menos ar através de uma entrada do elemento interno e através de uma saída do elemento interno para dentro de uma zona de pré-mistura (70) no elemento externo de cada unidade de ponta de chama, ambas entrada e saída do elemento interno sendo posicionadas no exterior do plenum (20);

d) passagem do gás combustível a partir do plenum (20) através da passagem de gás anular (64) de cada unidade de ponta de chama (15) para dentro da zona de pré-mistura (70);

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e) descarga dos pelo menos ar e gás combustível através de uma abertura de saída do elemento externo, a abertura de saída do elemento externo sendo posicionada no exterior do plenum; e

f) ignição dos pelo menos ar e gás combustível.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de a etapa de movimentação compreender a injeção de vapor para dentro do elemento interno (32) de cada unidade de ponta de chama (15) a uma taxa suficiente para entranhar e mover ar para dentro da entrada do elemento interno e através da saída do elemento interno.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende misturar uma mistura de vapor/ar do elemento interno (32) com o gás combustível na zona de pré-mistura para formar uma mistura combustível de vapor, ar e gás, e causar a ignição da mistura combustível que passa através da abertura de saída.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, caracterizado pelo fato de compreender o fornecimento de vapor para cada unidade de ponta de chama (15) a partir de uma única fonte de vapor.

22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21, caracterizado pelo fato de que um comprimento da zona de pré-mistura é pelo menos quatro vezes uma largura da passagem de gás anular.

23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 22, caracterizado pelo fato de que compreende ainda o direcionamento do gás combustível a partir da passagem de gás anular (64) de cada unidade de ponta de chama radialmente

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Ί/Ί para dentro do pelo menos ar movendo através da saída do elemento interno.

24. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 23, caracterizado pelo fato de o elemento interno (32) de cada unidade de ponta de chama ter um eixo geométrico longitudinal substancialmente reto.

25. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 24, caracterizado pelo fato de que o membro interno (32) de cada unidade de ponta de chama compreende um cilindro substancialmente reto a partir da entrada do elemento interno para a saída do elemento interno.

26. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 25, caracterizado pelo fato de compreender ainda o espaçamento das unidades de ponta de chama de forma que uma chama criada pela ignição da mistura de combustível acima da abertura de saída de cada unidade de ponta de chama é espaçada das chamas acima das outras das unidades de ponta de chama.