BRPI0719076A2

BRPI0719076A2 - Sistema de queimador, e, método para aquecer um substrato

Info

Publication number: BRPI0719076A2
Application number: BRPI0719076-0A
Authority: BR
Inventors: William Thoru Kobayashi; De Sousa Francisco Dominques Alves; Abilio Tasca
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2014-02-04
Also published as: WO2008070627A3; US7549858B2; WO2008070627A2; US20090220900A1; US20080138751A1; US7896647B2

Description

"SISTEMA DE QUEIMADOR, Ε, MÉTODO PARA AQUECER UM

SUBSTRATO"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a combustão que gera calor útil para aquecer materiais a elevadas temperaturas e para mantê-los em altas temperaturas.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Muitas aplicações industriais precisam aquecer materiais a temperaturas elevadas para fundir, tratar termicamente e similares. O calor é com freqüência provido queimando-se combustíveis de hidrocarboneto. Entretanto, nestas aplicações pode surgir necessidade de suprir calor em diferentes taxas de aquecimento em diferentes tempos. Abordagens convencionais para esta necessidade podem envolver aquecer o material em uma desejada temperatura elevada, em seguida descontinuar a combustão a fim de deixar a temperatura do material diminuir e então recomeçar a combustão quando a temperatura cair bastante de modo que calor adicional deva ser aplicado. Tal operação "liga/desliga" é ineficiente em seu consumo de combustível e oxidante e arrisca impor tensões térmicas no material pela ciclagem da temperatura e/ou tensões operacionais nas válvulas e queimadores que são repetidamente forçados a abrir e fechar quando a combustão é parada e iniciada. Outras abordagens, tais como prover dois sistemas de queimador separados, cada um adaptado para um tipo particular de combustão, com somente um sistema operado por vez, são caras e absorvem espaço.

Portanto, permanece uma necessidade de métodos e aparelho que possibilitem aquecimento dos materiais mais eficiente e mais ambientavelmente tolerável, especialmente sob condições em que a quantidade de aquecimento é para variar durante o tempo. BREVE RESUMO DA INVENÇÃO Um aspecto da presente invenção é um sistema de queimador compreendendo um corpo de queimador e um bloco de queimador, em que (A) o corpo de queimador compreende

um corpo de câmara de pressão que tem superfícies traseira e laterais que envolvem um espaço de câmara de pressão que é aberto em sua frente em uma abertura de câmara de pressão uniplanar, que é definida pelas bordas dianteiras de dita superfície lateral,

uma entrada de alimentação em uma superfície traseira ou lateral de dito corpo de câmara de pressão, através da qual gás pode ser alimentado dentro de dito espaço de câmara de pressão,

um primeiro corpo oco, que é situado completamente dentro de dito espaço de câmara de pressão e que é fechado contra passagem de gás entre dito espaço de câmara de pressão e o interior de dito corpo oco, em que o corpo oco não se estende através de dita abertura de câmara de pressão,

uma entrada de alimentação através de uma superfície de dito corpo oco, através da qual gás pode ser alimentado para o interior de dito corpo oco,

2 a 16 orifícios de saída através de uma superfície de dito corpo oco, através dos quais gás pode passar para fora de dito corpo oco, cada um orientado para apontar para fora de dito espaço de câmara de pressão em direção à abertura da câmara de pressão, em que as extremidades externas de ditos orifícios de saída não se estendem além do plano de dita abertura de câmara de pressão,

um primeiro tubo estendendo-se fora da superfície traseira de dito corpo de câmara de pressão através do espaço de câmara de pressão para um primeiro tubo que é localizado a uma primeira distância fora do plano da abertura de câmara de pressão, em que o primeiro tubo é fechado contra passagem de gás para dentro de dito tubo do espaço de câmara de pressão e do interior do corpo oco, um segundo tubo, localizado dentro do primeiro tubo, estendendo-se fora da superfície traseira de dito corpo de câmara de pressão, através do espaço de câmara de pressão para um segundo tubo, que é localizado a uma segunda distância fora do plano da abertura de câmara de pressão, em que dita segunda distância é maior do que a primeira distância, em que dito segundo tubo é fechado contra passagem de gás para dentro de dito tubo oriundo do espaço de câmara de pressão, do interior do corpo oco e do primeiro tubo e em que os eixos geométricos dos primeiro e segundo tubos são coaxiais ou paralelos, um terceiro tubo, localizado dentro do segundo tubo,

estendendo-se de fora da superfície traseira de dito corpo de câmara de pressão através do espaço de câmara de pressão para uma terceira extremidade de tubo, que é localizada em dita segunda distância fora do plano da abertura de câmara de pressão, em que dito terceiro tubo é fechado contra passagem de gás para dentro de dito terceiro tubo vindo do espaço de câmara de pressão, do interior do corpo oco e do segundo tubo e em que os eixos geométricos dos primeiro, segundo e terceiro tubos são coaxiais ou paralelos, uma entrada de alimentação para receber gás para dentro do espaço entre os primeiro e segundo tubos, uma entrada de alimentação para receber gás para dentro do

espaço entre o segundo e terceiro tubos, e

uma entrada de alimentação para receber combustível para dentro dito terceiro tubo; e

(B) o bloco de queimador compreende uma superfície dianteira e uma superfície traseira,

uma primeira passagem estendendo-se através do bloco,

composta de

um segmento de cilindro que se estende para dentro do bloco de dita superfície traseira para a extremidade interna de dito segmento de cilindro, por um comprimento pelo menos igual a dita primeira distância, o diâmetro de dito segmento de cilindro permitindo que dito primeiro tubo encaixe com justeza dentro deito segmento de cilindro, para minimizar passagem do gás em dito segmento de cilindro fora de dito primeiro tubo, um segmento de garganta, tendo extremidades a montante e a

jusante e cujo diâmetro é constante ao longo de seu eixo geométrico e é menor do que o diâmetro de dito segmento de cilindro e é maior do que o diâmetro externo de dito segundo tubo, em que a distância da superfície traseira do bloco para dita extremidade a montante é maior do que dita primeira distância e menor do que dita segunda distância e em que a distância da superfície traseira de dito bloco para dita extremidade a jusante é maior do que dita segunda distância,

um segmento afilado, que se estende axialmente da extremidade interna de dito segmento de cilindro para dita extremidade a montante de dito segmento de garganta,

um segmento de orifício que se estende para dentro do bloco da superfície dianteira do bloco para a extremidade interna do segmento de orifício, em que o diâmetro do segmento de orifício é constante e é maior do que o diâmetro de dito segmento de garganta um segmento de envoltório que se estende da extremidade a

jusante de dito segmento de garganta para a extremidade interna de dito segmento de orifício,

em que ditos segmentos são coaxiais e a soma dos comprimentos axiais do segmento de orifício e do segmento de envoltório é de até 50 vezes o diâmetro do maior diâmetro do segmento de envoltório; o comprimento axial do segmento de garganta é de até 50 vezes o diâmetro do maior diâmetro do segmento de envoltório; a relação do maior diâmetro do segmento de envoltório para o diâmetro do segmento de garganta é de 1 a 50; e a distância das aberturas de descarga das passagens secundárias para o eixo geométrico da primeira passagem é de 1 - 10 vezes o diâmetro do segmento de garganta.

uma pluralidade das passagens secundárias, de número maior do que o número de ditos orifícios de saída, estendendo-se através de dito bloco de aberturas de entrada na superfície traseira de dito bloco, para descarregar aberturas na superfície dianteira de dito bloco, em que ditas aberturas de entrada são bastante próximas de dita primeira passagem que, quando as bordas dianteiras de dito corpo de câmara de pressão estão em contato com a superfície traseira de dito bloco, ditas aberturas de entrada estão em contato de gás com dito espaço de câmara de pressão e em que cada passagem secundária tem um eixo geométrico em sua abertura de descarga, que converge em direção ao eixo geométrico da primeira passagem em um ângulo de até 60°, diverge do eixo geométrico da primeira passagem em um ângulo de até 85° ou é paralelo ao eixo geométrico da primeira passagem;

em que dito corpo de queimador é posicionado com respeito a dito bloco de queimador, de modo que as bordas dianteiras de dito corpo de câmara de pressão fiquem em contato com a superfície traseira de dito bloco para evitar passagem do gás para fora de dito espaço de câmara de pressão, exceto para dentro de ditas passagens secundárias e os primeiro e segundo tubos estendem-se para dentro de dita primeira passagem e os orifícios de saída são alinhados com as passagens secundárias, de modo que o gás passando de um orifício de saída passa através de uma passagem secundária com que é alinhado.

Outro aspecto da invenção é um método para aquecer um substrato, compreendendo

(A) prover o supracitado sistema de queimador,

(B) determinar uma primeira taxa de transferência de calor ao

substrato,

(C) determinar as taxas em que o combustível e oxidante devem ser alimentados a dito sistema de queimador para ser combustados ali, e a concentração total de oxigênio de dito oxidante a ser combustado, para gerar calor de combustão a ser transferido para dito substrato de dito sistema de queimador em dita primeira taxa.

(D) alimentar combustível e oxidante tendo dita concentração

total de oxigênio, em ditas taxas a dito sistema de queimador e combustar dito combustível e dito oxidante em dito sistema para gerar calor de combustão, que é transferido para dito substrato em dita primeira taxa,

enquanto dividindo proporcionalmente as quantidades de oxigênio alimentado através de ditos primeiro e segundo tubos de dito sistema de queimador, com respeito às quantidade de oxigênio alimentado através de ditas passagens secundárias e ditos orifícios de saída de dito sistema de queimador, para minimizar a formação de NOx por dita combustão.

(E) determinar uma segunda taxa de transferência de calor ao substrato, que é diferente de dita primeira taxa,

(F) determinar uma nova concentração total de oxigênio de dito oxidante a ser combustado e determinar novas taxas em que dito oxidante, ou dito oxidante e dito combustível, são para ser alimentadas a dito sistema de queimador e combustadas ali, para gerar calor de combustão a ser

transferido para dito substrato, em dita segunda taxa, e

(G) enquanto continuando a alimentar combustível e oxidante a dito sistema de queimador, mudar a concentração total de oxigênio alimentado a dito sistema de queimador ara dita nova concentração total de oxigênio e mudar a taxa em que dito oxidante ou dito oxidante e dito

combustível são alimentados a dito sistema de queimador, e continuar a combustar dito combustível e oxidante em dito sistema de queimador, sem descontinuar dita combustão, para gerar calor de combustão, que é transferido para dito substrato em dita segunda taxa,

enquanto distribuindo proporcionalmente as quantidades de oxigênio alimentado através de ditos primeiro e segundo tubos, com respeito às quantidades de oxigênio alimentado através de ditas passagens secundárias e ditos orifícios de saída, para minimizar a formação de NOx por dita combustão,

em que a quantidade de oxigênio alimentado a dito sistema de queimador é sempre suficiente para manter a combustão de dito combustível em dito sistema de queimador e em que a quantidade de oxigênio alimentado a dito sistema de queimador é sempre suficiente para manter o teor de monóxido de carbono dos produtos gasosos de dita combustão a menos do que 100 ppm.

Como usado aqui, “NOx” significa óxidos gasosos de nitrogênio, independente do número de átomos de nitrogênio e de oxigênio em qualquer molécula individual de nitrogênio e óxido e suas misturas.

Como aqui usado, “concentração total de oxigênio” significa a quantidade total de oxigênio alimentado através de todas as entradas de um sistema de queimador, através do qual oxidante gasoso é alimentado, incluindo oxigênio em qualquer meio de transporte que seja alimentado com combustível, dividida pela quantidade total de gás alimentado através de todas as entradas de um sistema de queimador, através do qual oxidante gasoso é alimentado, incluindo gás em qualquer meio de transporte, que é alimentado com combustível.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma vista em seção transversal de um bloco de queimador, que pode ser um componente do sistema de queimador com que a presente invenção pode ser utilizada.

A Figura 2 é uma vista em perspectiva da superfície dianteira de um bloco de queimador com que a presente invenção pode ser utilizada.

A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um corpo de queimador, que pode ser um componente de um sistema de queimador com que a presente invenção pode ser utilizada.

A Figura 4 é uma vista em seção transversal de um corpo de queimador e bloco de queimador montados entre si para formar um sistema de queimador com que a presente invenção pode ser usada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAINVENCÀO

A presente invenção é útil em qualquer situação requerendo transferência de calor em uma seqüência de duas ou mais diferentes taxas para um substrato, em que o substrato ou material em contato com o substrato é aquecido a temperaturas (tipicamente acima de 538 °C) da ordem das 10 temperaturas que podem ser obtidas pela combustão de combustíveis de hidrocarboneto, tais como gás natural, óleo combustível e similares. “Substratos” adequados com que esta invenção pode ser utilizada incluem qualquer material que se deseje aquecer, incluindo em particular sólidos e líquidos, tais como metais e precursores metálicos, quer para derreter os 15 sólidos, para derreter os sólidos já contidos em banhos líquidos, para manter um líquido sólido ou um fundido em uma temperatura desejada, ou para aquecer ou pré-aquecer um recipiente, tal como uma panela, que é para receber e reter o material quente.

Um exemplo de um uso para esta invenção é em material de 20 fusão, aplicando-se calor em uma taxa relativamente elevada, em seguida mantendo-se o resultante material fundido em temperatura elevada, pela aplicação de calor em uma mais baixa taxa de transferência de calor. Outro exemplo é pré-aquecer uma panela ou distribuidor, dentro do qual material sólido ou fundido é para ser alimentado, em que a panela ou distribuidor é 25 aquecido em uma elevada taxa a uma temperatura na ou próxima da temperatura do material, e então manter o material sólido ou fundido em alta temperatura após ter sido alimentado à panela ou distribuidor, pela aplicação de calor em uma taxa relativamente mais baixa.

A presente invenção pode ser praticada utilmente com sistemas queimadores, tais como o sistema de queimador ilustrado nas Figuras 1 - 4 e descrito abaixo. Tais sistemas queimadores tipicamente incluem um bloco de queimador e um corpo de queimador agrupados com o bloco de queimador para formar o sistema de queimador.

5 Com referência primeiro à Figura 1, o bloco de queimador 1 é

mostrado antes de ser montado com o corpo de queimador. O bloco de queimador 1 é um corpo sólido de material capaz de suportar as temperaturas elevadas a que é necessariamente submetido quando a combustão é realizada no corpo de queimador. Materiais adequados de construção incluem tijolo 10 refratário, tal como de alto teor de alumina, alumina, sílica, AZS, mulita, zircônia e/ou zirconita, bem como estrutura metálica incluindo estruturas metálicas esfriadas por água.

O bloco de queimador 1 inclui superfície dianteira 2 e superfície traseira 3. A primeira passagem 4 passa através do bloco de 15 queimador 1 da superfície traseira 3 para a superfície dianteira 2. A primeira passagem consiste de uma série de segmentos coaxiais, cada um contribuindo para o desempenho do sistema de queimador, quando o corpo de queimador é agrupado junto com o bloco de queimador.

Originando-se da superfície traseira 3 do bloco de queimador 20 l,o segmento de cilindro 5 estende-se para dentro do bloco de queimador 1 da superfície traseira, preferivelmente como um cilindro de diâmetro constante, se a seção do corpo de queimador, que se estende para dentro do segmento de cilindro 5, for também cilíndrica. A configuração de seção transversal do segmento de cilindro 5 é preferivelmente dimensionada para 25 prover um encaixe justo com a seção do corpo de queimador que é para ocupar o segmento de cilindro 5, como descrito abaixo. Preferivelmente, o encaixe é bastante justo de modo que a passagem de gases entre a superfície interna do segmento de cilindro 5 e a superfície externa da correspondente seção do corpo de queimador seja minimizada ou mesmo evitada. O comprimento do segmento de cilindro 5, isto é, sua profundidade medida dentro do bloco de queimador 3, da superfície traseira 3 do bloco de queimador 1, é pelo menos tão longo quanto o comprimento do primeiro tubo 41 do corpo de queimador descrito aqui.

Prosseguindo mais para dentro da primeira passagem 4, o

segmento afilado 6 estende-se da extremidade externa do segmento de cilindro 5 para a extremidade a montante do segmento de garganta 7. A superfície do segmento afilado 6 pode sr plana (de modo que seja uma seção de um cone) ou pode ser curva (isto é, de modo que o raio mude em uma taxa não constante ao longo do eixo geométrico).

O segmento de garganta 7 é preferivelmente de diâmetro constante e é mais estreito do que o segmento de cilindro 5. Assim, o segmento afilado 6 necessariamente tem uma menor área e diâmetro de seção transversal em sua extremidade a jusante, onde ele intersecta o segmento de 15 garganta 7 em sua extremidade a montante, onde intersecta com o segmento de cilindro 5. O segmento de garganta 7 é situado dentro do bloco de queimador 1, de modo que sua extremidade a montante fique mais próxima à superfície traseira do bloco de queimador 1 do que a extremidade do segundo tubo 43, como descrito mais abaixo. A extremidade a jusante de um segmento 20 de garganta 7 deve ficar mais longe da superfície traseira do bloco de queimador 1 do que a extremidade do segundo tubo 43. Dessa maneira, a extremidade do segundo tubo 43 é situada dentro do segmento de garganta 7.

O segmento de garganta 7 é conectado em sua extremidade a jusante à extremidade a montante do segmento envoltório 8, que é de 25 diâmetro crescente com crescente distância axial da superfície traseira do bloco de queimador 1. O segmento de envoltório 8 termina em sua extremidade a jusante no segmento de orifício 9, que é um segmento de constante diâmetro maior do que o diâmetro do segmento de garganta 7. A superfície de envoltório 8 pode ser plana (de modo que seja uma seção de um cone) ou pode ser curva (isto é, de modo que o raio mude em uma taxa não constante ao longo do eixo geométrico). O segmento de orifício 9 termina quando abre-se na superfície dianteira 2 do bloco de queimador 1.

O bloco de queimador 1 também te uma pluralidade de 5 passagens secundárias 11, cada uma das quais passa através do bloco de queimador 1 de sua superfície traseira para sua superfície dianteira. Cada passagem secundária 11 tem uma abertura de entrada 12 na superfície traseira do bloco de queimador 1 e uma abertura de descarga 13 na superfície dianteira do bloco de queimador I. De 2 a 16 e, preferivelmente, 4 a 12, as 10 passagens secundárias 11 estendem-se através do bloco de queimador 1. Deveria haver mais passagens secundárias 11 através do bloco de queimador

1 do que o número de orifícios de saída 33 no bloco de queimador com que o bloco de queimador é reunido.

O eixo geométrico de cada passagem secundária 11 pode ser 15 paralela ao eixo geométrico da primeira passagem 4, porém preferivelmente o eixo geométrico de cada passagem secundária 11 diverge ou pode convergir com respeito ao eixo geométrico da passagem 4. Como ilustrado na Figura 1, os respectivos eixos geométricos divergem do expressão genética da primeira passagem 4; o ângulo preferido da divergência é de até 85 graus, mais 20 preferivelmente até 75 graus. Entretanto, se desejado, os eixos geométricos das passagens secundárias podem convergir em direção ao eixo geométrico da primeira passagem 4, em cujo caso o ângulo preferido de convergência é de até 60 graus, mais preferivelmente até 15 graus.

Certas relações dimensionais entre diferentes do queimador do 25 bloco de queimador auxiliam na realização da presente invenção. Assim, a soma dos comprimentos axiais do segmento de orifício e do segmento de envoltório é de até 50 vezes o maior diâmetro do segmento de envoltório e, preferivelmente, até 25 vezes o maior diâmetro. O comprimento axial do segmento de garganta é de até 50 vezes e, mais preferivelmente, até 25 vezes o diâmetro do maior diâmetro do segmento de envoltório. A relação do maior diâmetro do segmento de envoltório para o diâmetro do segmento de garganta é de 1 a 50 e, preferivelmente, 1 a 25. A distância das aberturas de descarga 13 das passagens secundárias 11 para o eixo geométrico da primeira 5 passagem 4 é de 1 a 10 e, preferivelmente, 1,5 a 8 vezes o diâmetro do segmento de garganta.

A Figura 2 ilustra uma forma de realização da frente do bloco de queimador I. As aberturas de descarga 13 das passagens secundárias 11 podem ser vistas, como o podem o segmento de orifício 9, segmento de 10 envoltório 8 e a extremidade a jusante do segmento de garganta 7. O corpo de queimador ilustrado na Figura 3 seria apropriado para montagem junto com o bloco de queimador ilustrado na Figura 2, porque o corpo de queimador da Figura 3 contém somente dois orifícios de saída 33, cada um dos quais seria alinhado com uma das passagens secundárias 11, deixando passagens 15 secundárias 11 adicionais, através das quais o gás pode fluir do espaço de câmara de pressão 23 para fora das respectivas aberturas de descarga 13.

A Figura 3 ilustra um corpo de queimador da prática desta invenção. O corpo de queimador 21 inclui um alojamento de câmara de pressão 22 formado pelas costas da câmara de pressão 24 e lados da câmara 20 de pressão 25, que são selados entre si para incluir o espaço da câmara de pressão 23. Sea seção transversal da câmara de pressão for retangular, então os lados da câmara de pressão 25 podem compreender superfícies planares formando um topo, dois lados e uma base. Preferivelmente, a seção transversal da câmara de pressão é redonda e mais preferivelmente circular, 25 em cujo caso os lados da câmara de pressão 25 são em uma superfície contínua. Em qualquer caso, os lados da câmara de pressão 25 terminam na borda ou bordas dianteiras 26 que formam uma abertura uniplanar, isto é, definem uma abertura de câmara de pressão, através da qual gás pode fluir como descrito aqui. O flange 28 é preferivelmente provido para fornecer uma melhor selagem com a superfície traseira 3 do bloco de queimador I. A entrada 27 comunica-se com o espaço de câmara de pressão 23 e pode ser conectada a uma fonte ou fontes do gás a ser suprido dentro do espaço de câmara de pressão 23, como descrito aqui.

5 O corpo de queimador 21 também inclui o corpo oco 31, que é

situado completamente dentro do espaço de peno 23.

O corpo oco 31 envolve completamente um espaço, que pode ser gás alimentado por meio da entrada de alimentação 32. Os orifícios de saída 33 permitem que gás escoe para fora do interior do corpo oco 31. De 1 a 10 16 e, preferivelmente, 1 a 4, são providos os orifícios de saída 33. Cada orifício de saída 33 termina em uma extremidade 34, que estende-se até mas não através ou fora do plano formado pelas bordas dianteiras 26 do alojamento de câmara de pressão 22. Dessa maneira, quando o corpo de queimador é instalado no bloco de queimador 1, de modo que as extremidades 15 dianteiras 26 contatem a superfície traseira 3 do bloco de queimador 1 e vedem a junção entre aquelas duas peças do aparelho, os orifícios externos 33 não se estendem para fora de modo que tal contato é impedido.

Pelo menos parte e, preferivelmente, toda a superfície dianteira 35 do corpo oco 31 é afastada do plano formado pelas bordas dianteiras 26, de 20 modo que o espaço de câmara de pressão 23 é considerado incluir não somente o espaço entre as superfícies externas do corpo oco 31 as superfícies do alojamento de câmara de pressão 22, mas também o espaço entre a superfície dianteira 35 e o plano formado pelas bordas dianteiras 26. Esse espaçamento permite que gás escoe do espaço de câmara de pressão 23 para 25 as aberturas 12 das passagens 11 que não são alinhadas pelos orifícios de saída 33.

O corpo de queimador 21 também inclui o primeiro tubo 41, que termina na primeira extremidade de tubo 42. O primeiro tubo 41 passa completamente através do espaço de câmara de pressão 23 e projeta-se além do plano formado pelas bordas dianteiras 26. O primeiro tubo 41 passa através do corpo oco 31 também ou é localizado próximo do corpo oco 31 dentro do espaço de câmara de pressão 23.

O segundo tubo 43 é localizado dentro do primeiro tubo 41, e 5 o terceiro tubo 45 é localizado dentro do segundo tubo 43. O segundo tubo 43 e terceiro tubo 45 terminam na extremidade de segundo tubo 44 e extremidade de terceiro tubo 46, respectivamente, sendo ambas localizadas mais afastadas dos plano formado pelas bordas dianteiras 26 do que a extremidade de primeiro tubo 42. Isto é, o segundo tubo 43 e o terceiro tubo 10 45 estendem-se ambos afastados do alojamento de câmara de pressão 22 mais do que o primeiro tubo 41 se estende. A segunda extremidade de tubo 44 e terceira extremidade de tubo 46 são preferivelmente coplanares.

As aberturas nas respectivas extremidades de tubo 42, 44 e/ou

46 podem ser completamente desobstruídas, ou qualquer uma delas pode conter segmentos que rompem as aberturas completamente em sub-aberturas

que dividem as correntes emergindo em subcorrentes. Por exemplo, uma chapa com numerosos furos pode ser colocada através da abertura da extremidade 46 do terceiro tubo 45 para dividir o combustível em um spray de numerosas sub-correntes.

Palhetas podem opcionalmente ser colocadas dentro do espaço

47 e/ou espaço 48 (dentro dos quais correntes de oxidante gasoso podem fluir) para provocar redemoinho que ajuda a manter a inflamabilidade da chama na extremidade do queimador.

O tubo mais interno, isto é, terceiro tubo 45, preferivelmente 25 recebe o combustível que é para ser combustado como descrito aqui. Combustíveis adequados podem ser gasosos, líquidos, sólidos ou qualquer combinação deles, tais como gás natural, LPG, propano, butano, óleo combustível, óleo diesel, gás de forno de coque, gás de alto forno, gás de BOF, gás de forno a arco elétrico, gás de gasogênio, qualquer tipo de combustível sólido, incluindo lamas com algum valor de aquecimento. Para operação com combustível líquido, um fluido atomizante (tal como ar, oxigênio, nitrogênio, gás combustível, argônio e vapor) poderia ser usado. Um bico para promover a atomização do combustível líquido (com qualquer espécie de meio atomizante, tal como ar, vapor ou outros tipos de gás ou atomizador pressurizado) pode ser utilizável. Para operação com combustível sólido, pulverizando-o e então transportado-o suspenso em um gás veículo (tal como ar, nitrogênio, argônio, vapor, gás combustível) seria útil.

Com referência à Figura 4, a cooperação entre o bloco de queimador Ieo corpo de queimador 21 pode ser vista. Com as bordas dianteiras 26 do alojamento de câmara de pressão 22 totalmente em contato com a superfície traseira 3 do bloco de queimador 1 o gás não pode passar em tomo daquelas bordas dianteiras 26. Com o corpo de queimador 21 assim posicionado contra o bloco de queimador 1, o primeiro tubo 41 estende-se para dentro do segmento de cilindro 5 que, como descrito acima, é de uma profundidade pelo menos suficiente para receber o inteiro comprimento do primeiro tubo 41. O segundo tubo 43 e o terceiro tubo 45 estendem-se além da extremidade 42 do primeiro tubo 41 para dentro do segmento de garganta 7, porém não além da extremidade a jusante do segmento de garganta 7. Além disso, as aberturas de entrada 12 das passagens secundárias 11 são bastante próximas da primeira passagem 4 de modo que elas se comunicam diretamente com o espaço de câmara de pressão 23, de modo que o gás pode fluir diretamente do espaço de câmara de pressão 23 para dentro e através das passagens secundárias Ile para fora das respectivas aberturas de descarga 13. A Figura 4 ilustra dois orifícios de saída 33 alinhados para fluxo de gás para fora de suas respectivas extremidades para dentro de duas passagens 11. Entretanto, como citado, o gás também flui do espaço de câmara de pressão 23 para dentro de outras passagens 11, não mostradas nesta seção transversal particular, que não são alinhadas com os orifícios de saída 33. A extremidade a montante do terceiro (combustível) tubo 45 é conectada a uma fonte de combustível através do aparelho bem conhecida neste campo, que pode alimentar combustível em qualquer quantidade e taxa desejadas e pode variar a quantidade e taxa de alimentação, e pode ligar e 5 desligar o fluxo de combustível quando desejado. O combustível é preferivelmente alimentado em uma taxa de 10 a 1500, mais preferivelmente 15 a 1000 m/seg e em uma temperatura de até 1800 0C.

A extremidade a montante do espaço 47 entre os tubos 41 e 43, a extremidade a montante do espaço 48 entre os tubos 43 e 45, bem como a entrada 27 para o espaço de câmara de pressão 23, e a entrada 32 para o corpo oco 31, são conectadas por apropriadas linhas de alimentação, válvulas e controles de fontes de oxidante gasoso (ou misturas de oxigênio e um ou mais gases não-oxigênio), para desse modo permitir o controle do teor de oxigênio de cada uma destas correntes gasosos, bem como das vazões de cada uma dessas correntes gasosas. Além de controles que permitem o fluxo de gás para qualquer um destes pontos ser ligado e desligado, controles que permitem a prática da presente invenção devem também estar presentes, que possibilitam que o teor de oxigênio e a vazão de cada tal corrente gasosa serem ajustadas a qualquer valor desejado, como descrito aqui, mesmo embora a combustão esteja ocorrendo no queimador.

A extremidade a montante do espaço 47, que alimenta “oxidante primário”, deve ser conectada às fontes de gás e controles que possibilitam a corrente gasosa alimentada ao espaço 47 ter (a) um teor de oxigênio tão baixo quanto o mais baixo que pode ser desejável alimentar 25 dentro do espaço 47, preferivelmente pelo menos 5 % em vol. e, mais preferivelmente, pelo menos 10 % em vol., (b) um teor de oxigênio tão alto quando a concentração mais elevada que pode ser desejável para alimentar dentro do espaço 47, preferivelmente pelo menos 90 % em vol. e, mais preferivelmente, pelo menos 99,9 % em vol. e (c) uma concentração de oxigênio em qualquer parte entre aqueles valores mais baixos e mais elevados. Isto pode ser conseguido fomecendo-se uma fonte de oxigênio de alta pureza (em uma pureza que iguale a mais elevada concentração que é para ser disponível para alimentar dentro do espaço 47) e fomecendo-se uma fonte de gás tendo a mais baixa concentração de oxigênio desejada, bem como, opcionalmente, uma fonte de gás (tal como ar) tendo uma concentração de oxigênio entre aqueles valores mais baixos e mais elevados.

Também devem ser providos controles para controlar a quantidade de gás alimentado de cada tal fonte de gás, de modo que qualquer concentração de oxigênio intermediária desejada, que seja entre aqueles valores mais baixos e mais elevados, pode ser composta. Uma corrente tendo qualquer tal concentração de oxigênio intermediário pode ser provida combinando-se as correntes das respectivas fontes a montante do espaço 47 e então alimentando-se a corrente combinada dentro do espaço 47 ou alimentando-se as correntes de cada fonte dentro da extremidade a montante do espaço 47 nas quantidades relativas apropriadas, de modo que se misturem no espaço 47 e formem uma mistura tendo a desejada concentração de oxigênio intermediária. O oxidante deve ser suprido em uma taxa de modo que a corrente eleve-se da extremidade 42 do tubo 41 em uma velocidade de IOa 1500, preferivelmente 15 a 500 m/seg. A temperatura da corrente quando ela emerge é de até 1800 0C.

A entrada 27 que alimenta o “oxidante secundário” via a câmara de pressão 21 deve ser conectada a fontes e controles de gás que possibilitam que a corrente gasosa alimentada à entrada 27 tenha (a) um teor de oxigênio tão baixo quanto o mais baixo que pode ser desejável para alimentar dentro da entrada 27, preferivelmente pelo menos 5 % em vol. e, mais preferivelmente, pelo menos 10 % em vol., (b) um teor de oxigênio tão elevado quanto a mais elevada concentração que pode ser desejável para alimentar dentro da entrada 27, preferivelmente pelo menos 90 % em vol. e, mais preferivelmente, pelo menos 99,9 % em vol. e (c) uma concentração de oxigênio em qualquer parte entre aqueles valores mais baixos e mais elevados. Isto pode ser conseguido fomecendo-se uma fonte de oxigênio de alta pureza (em uma pureza que iguale a mais elevada concentração que é para ser disponível para alimentar dentro da entrada 27) e provendo-se uma fonte de gás tendo a mais baixa concentração desejada de oxigênio, bem como, opcionalmente, uma fonte de gás (tal como ar), tendo uma concentração de oxigênio entre aqueles valores mais baixos e mais elevados.

Também devem ser providos controles para controlar a quantidade de gás alimentado por cada tal fonte de gás, de modo que qualquer concentração de oxigênio intermediária desejada, que seja entre aqueles valores mais baixos e mais elevados, pode ser composta. Uma corrente tendo qualquer tal concentração de oxigênio intermediária pode ser provida combinando-se as correntes das respectivas fontes a montante da entrada 27 e então alimentando-se a corrente combinada dentro da entrada 27 ou alimentando-se as correntes de cada fonte dentro da extremidade a montante da entrada 27 nas quantidades relativas apropriadas, de modo que se misturem na entrada 27 e formem uma mistura tendo a desejada concentração de oxigênio intermediária desejada. O oxidante deve ser suprido em uma taxa de modo que a corrente emirja das aberturas de descarga 13 em uma velocidade de 5 a 1500, preferivelmente de 6 a 1200 m/seg. A temperatura da corrente quando ela emerge é de até 1800 0C.

A extremidade a montante do espaço 48 que alimenta o “oxigênio primário” deve ser conectada ás fontes de gás e controles que possibilitam que a corrente gasosa alimentada no espaço 48 tenha (a) um teor de oxigênio tão baixo quanto o mais baixo que pode ser desejável alimentar dentro do espaço 48, que pode ser zero (isto é, a fonte fornece um gás ou uma mistura de gases nenhuma das quais é oxigênio) e preferivelmente pelo menos 50 % em vol., (b) um teor de oxigênio tão elevado quanto a mais elevada concentração que pode ser desejável para alimentar dentro do espaço 48, preferivelmente pelo menos 90 % em vol. e, mais preferivelmente, pelo menos 99,9 % em vol. e (c) uma concentração de oxigênio em qualquer parte entre aqueles valores mais baixos e mais elevados. Isto pode ser conseguido provendo-se uma fonte de oxigênio de alta pureza (em uma pureza que iguale a mais elevada concentração que é para ser disponível para alimentar dentro do espaço 48) e provendo-se uma fonte de gás tendo a mais baixa concentração de oxigênio desejada indicada, bem como, opcionalmente, uma fonte de gás (tal como ar) tendo uma concentração de oxigênio entre aqueles valores mais baixos e mais elevados.

Devem também ser providos controles para controlar a quantidade de gás alimentado de cada tal fonte de gás, de modo que qualquer concentração de oxigênio desejada, que seja entre aqueles valores mais baixos e mais elevados, podem ser composta. Uma corrente tendo qualquer tal concentração de oxigênio intermediária pode ser provida combinando-se correntes das respectivas fontes a montante do espaço 48 e então alimentando-se a corrente combinada no espaço 48 ou alimentando-se as correntes de cada fonte na extremidade a montante do espaço 48 nas apropriadas quantidades relativas, de modo que se misturem no espaço 48 e formem uma mistura tendo a desejada concentração de oxigênio intermediária. O oxidante deve ser suprido em uma taxa de modo que a corrente emirja da extremidade 44 do tubo 43 em uma velocidade de 10 a 1500, preferivelmente 15 a 500 m/seg. A temperatura da corrente quando ela emerge é de até 1800 0C.

A entrada 32 que alimenta o “oxigênio secundário” via o corpo oco 31 e orifício(s) de saída 33 deve ser conectada às fontes e controles de gás que possibilitam que a corrente gasosa alimenta à entrada 32 tenha (a) um teor de oxigênio tão baixo quanto o mais baixo que pode ser desejável para alimentar dentro da entrada 32, que pode ser zero (isto é, a fonte fornece um gás ou uma mistura de gases, nenhum dos quais é oxigênio) e preferivelmente pelo menos 50 % em vol., (b) um teor de oxigênio tão elevado quanto a mais elevada concentração que pode ser desejável para alimentar na entrada 32, preferivelmente pelo menos 90 % em vol. e, mais preferivelmente pelo menos 99,9 % em vol. e (c) uma concentração de oxigênio em qualquer parte entre aqueles valores mais baixos e mais elevados. Isto pode ser conseguido provendo-se uma fonte de oxigênio de alta pureza (em uma pureza que iguale a mais elevada concentração que é para ser disponível para alimentar na entrada 32) e provendo-se uma fonte de um gás tendo a mais elevada concentração de oxigênio desejada indicada, bem como opcionalmente uma fonte de gás (tal como ar) tendo uma concentração de oxigênio entre aqueles valores mais baixos e mais elevados.

Devem ser providos controles para controlar a quantidade de gás alimentado por cada fonte de gás, de modo que qualquer concentração de oxigênio intermediária desejada que seja entre aqueles valores mais baixos e mais elevados pode ser composta. Uma corrente tendo qualquer tal concentração de oxigênio intermediária pode ser provida combinando-se correntes das respectivas fontes a montante da entrada 32 e então alimentando-se a corrente combinada na entrada 32 ou alimentando-se as corrente de cada fonte dentro da extremidade de corrente da entrada 32 nas apropriadas quantidades relativas, de modo que se misturem na entrada 32 e formem uma mistura tendo a desejada concentração de oxigênio intermediária. O oxidante deve ser suprido em uma taxa de modo que a corrente emirja das aberturas de descarga 13 em uma velocidade de 5 a 1500, preferivelmente 6 a 1200 m/seg. A temperatura da corrente quando ela emerge é de até 1800 0C.

Naturalmente, a mesma fonte de um dado gás (tal como um cilindro ou unidade de separação de ar que forneça oxigênio em alta pureza) pode ser usado no fornecimento de uma corrente de gás a mais do que uma das entradas supracitadas.

USO DO SISTEMA DE QUEIMADOR

Será agora descrito o uso do sistema de queimador.

Na primeira fase do método da presente invenção, as 5 necessidades de aquecimento são determinadas. A quantidade de calor a ser transferido para o substrato é determinada com base em tais fatores como um desejado aumento da temperatura do substrato, massa do substrato, capacidade térmica, calor da fusão se fusão for para ocorrer e similares. O período de tempo dentro do qual a transferência de calor é para ser obtida é 10 determinado, fornecendo a desejada primeira taxa de transferência de calor ao substrato.

A temperatura da chama produzida no queimador, para conceder a transferência de calor que é requerida para esta primeira fase da operação, pode ser conseguida ajustando-se a concentração total de oxigênio 15 nas correntes de oxidante que são alimentadas e combustadas por um dado grau de recirculação do gás de combustão. Em qualquer proporção de recirculação do gás de combustão, a temperatura da chama aumenta com a concentração total de oxigênio crescente. Em qualquer dada concentração total de oxigênio, a temperatura da chapa aumenta com a diminuição da 20 proporção de recirculação de gás de combustão. Isto permite a determinação de uma concentração total de oxigênio eficaz nas correntes de oxidante alimentadas através do queimador, para obter-se a requerida temperatura.

O combustível é então combustado em um sistema de queimador, tal como aquele descrito aqui, com oxigênio que é alimentado 25 como correntes de oxidantes gasosas através e para fora dos espaços 48 e/ou 50 e aquele é alimentado para fora das aberturas de descarga 15 das passagens secundárias 11, tendo penetrado naquelas passagens secundárias oriundas dos orifícios de saída 33 e/ou do espaço de câmara de pressão 23. A quantidade total de oxigênio alimentado deve ser de 0,6 a 2,0 vezes a quantidade de oxigênio necessário para completa combustão do combustível. O combustível queima em uma chama cuja base é no final 46 do terceiro tubo (combustível) 45. A quantidade de oxigênio alimentado ao sistema de queimador deve ser suficiente para possibilitar que a combustão do combustível a seja mantida, 5 deve ser suficiente para prover que o combustível seja suficientemente queimado de modo que o teor de monóxido de carbono dos produtos de combustão gasosa (isto é, gás de combustão) produzidos pela combustão seja menor do que 100 ppm. Também como descrito mais totalmente abaixo, as alimentações do oxidante gasoso são ajustadas de modo que a quantidade de 10 NOx formada pela combustão seja minimizada.

Em seguida, na segunda fae do método da presente invenção, quando a taxa de transferência de calor ao substrato é para mudar, a nova (segunda) taxa de transferência de calor é determinada, novamente por considerações de fatores tais como uma desejada mudança (aumento ou 15 diminuição) da temperatura do substrato, massa do substrato, capacidade térmica, o calor de fusão se fusão ou solidificação for para ocorrer e similares. O período de tempo dentro do qual a transferência de calor é para ser obtida é determinado, fornecendo a segunda desejada taxa de transferência de calor ao substrato.

A temperatura da chama produzida no queimador, para

conceder a desejada segunda taxa de transferência de calor, que é necessária para esta segunda fase de operação, pode ser conseguida ajustando-se a concentração total de oxigênio nas correntes de oxidante que são alimentadas e queimadas por um dado grau de recirculação do gás de combustão. Em 25 qualquer dada proporção de recirculação de gás de combustão, a temperatura da chama aumenta com a crescente concentração total de oxigênio. Em qualquer dada concentração total de oxigênio, a temperatura da chama aumenta com a diminuição da proporção da recirculação do gás de combustão. Isto permite a determinação de uma concentração total de oxigênio eficaz ns correntes de oxidante alimentadas através do queimador, para obter-se a temperatura requerida.

Combustível é então queimado em um sistema de queimador, tal como aquele descrito aqui, com oxigênio que é alimentado como correntes oxidantes através e para fora dos espaços 48 e/ou 50 e para fora das aberturas de descarga 13 das passagens secundárias 11, tendo penetrado naquelas passagens secundárias dos orifícios de saúda 33 e/ou do espaço de câmara de pressão 23. A quantidade total de oxigênio alimentado deve ser de 0,6 a 2,0 vezes a quantidade de oxigênio necessário para completa combustão do combustível. A quantidade de oxigênio alimentado ao sistema de queimador deve ser suficiente para possibilitar a queima do combustível a ser mantido, e deve ser suficiente para prover que o combustível seja suficientemente queimado de modo que o teor de monóxido de carbono dos produtos de combustão gasosa (isto é, o gás de combustão) produzidos pela combustão seja menor do que 100 ppm. Também como descrito mais totalmente abaixo, as alimentações do oxidante gasoso são ajustadas de modo que a quantidade de NOx formado pela combustão seja minimizada.

Os modos preferidos de realizar a combustão e especialmente de modificar as condições de combustão (especialmente a concentração total de oxigênio), com várias concentrações totais de oxigênio, são como segue.

Para combustão com uma concentração total de oxigênio menor do que 21% em volume, uma parte do oxigênio total para combustão é introduzida como oxidante primário através do espaço 48 e o oxigênio restante requerido para completar o processo de combustão é introduzido dentro do espaço de câmara de pressão 23 de onde ele passa através das passagens secundárias 11 e para fora das aberturas de descarga 13. Este arranjo ajusta-se à combustão em uma maneira que abaixa a temperatura pico da chama e, consequentemente, a taxa de emissão de NOx é diminuída.

Para combustão com concentrações totais de oxigênio maiores do que ou iguais a 21 % em vol. e menores do que 28 % em vol., um dos seguintes procedimentos é preferido:

Um procedimento preferido é alimentar oxidante através de ambos os espaço 48 e 50 e elevar a concentração de oxigênio da corrente de oxidante alimentada dentro do espaço 50 pela adição de oxigênio (preferivelmente como um corrente de oxigênio com pelo menos 90 % em vol. de pureza) àquele oxidante antes de alimentar a mistura resultante dentro do espaço 50. Se desejado, a quantidade de oxidante alimentado através do espaço 48 é reduzida ou eliminada. O oxigênio restante requerido para completar o processo de combustão é suprido no oxidante que é alimentado dentro da entrada de câmara de pressão 27 e dentro da entrada 32 para o corpo oco 31, de onde ele penetra nas passagens secundárias Ile flui para fora das aberturas de descarga 13. Devido à eliminação ou redução significativa do teor de nitrogênio que resulta da adição do oxigênio de elevada pureza, combinado com o efeito de ajustamento provido pelo oxigênio que é alimentado pelas passagens secundárias 11, a taxa de emissão NOx é reduzida.

Um segundo procedimento preferido com concentrações totais de oxigênio maiores do que ou iguais a 21 % em vol. e menores do que 28 % em vol., alimenta oxidante dentro e através do espaço 48, sem alimentar qualquer oxidante através do espaço 50, e alimenta o oxigênio restante requerido para completar o processo de combustão através das passagens secundárias 11 do espaço de câmara de pressão 23 e do corpo oco 31. Devido à mais baixa concentração de oxigênio na corrente de combustível e na corrente emergindo do espaço 48, em comparação com a primeira forma de realização acima, a temperatura da base da chama tende a ser mais baixa. Devido a este fato, espera-se que a taxa de emissão de NOx seja mais baixa.

Para combustão com concentrações totais de oxigênio maiores do que ou iguais a 28 % em vol., um dos seguintes procedimentos operacionais é preferido: (a) Um procedimento preferido é alimentar oxigênio através do espaço 50, sem alimentar qualquer oxidante através do espaço 48 e alimentar o oxigênio restante requerido para completar a combustão dentro do espaço de câmara de pressão 23 e dentro do corpo oco 31, de modo que ele passe através das passagens secundárias 11 e queime. A quantidade de oxigênio no oxidante introduzido através da câmara de pressão é gradualmente reduzida, enquanto a quantidade de oxigênio no oxidante introduzido através do corpo oco 31 e pra fora dos orifícios 33 é gradualmente aumentada. O oxigênio total introduzido através das passagens secundárias é determinado com base nas exigências do processo de combustão. Devido à ausência de nitrogênio ou pelo menos à redução significativa na quantidade de nitrogênio introduzido com o oxigênio, combinada com o efeito de ajuste promovido pelas correntes oxidantes alimentadas fora das passagens secundárias, a taxa de emissão de NOx é reduzida.

(b) Um segundo procedimento preferido é alimentar oxigênio dentro e através do espaço 48 e alimentar o oxigênio restante requerido para completar a combustão dentro do espaço de câmara de pressão 23 e corpo oco 31, de modo que ele passe através e para fora das passagens secundárias 11. A quantidade de oxigênio introduzido através da câmara de pressão 23 é gradualmente reduzida, enquanto a quantidade de oxigênio introduzido através do corpo oco 31 aumenta. A quantidade total de oxigênio introduzido através das passagens secundárias é determinada com base nas exigências do processo de combustão. Devido à eliminação ou redução significativa de nitrogênio nas correntes de alimentação de oxidante, combinadas com o efeito de ajuste promovido pelo oxigênio de alimentação das passagens secundárias, a taxa de emissão de NOx é reduzida.

(c) Um terceiro procedimento é alimentar oxidante de alta pureza (pelo menos 90 % em vol. de oxigênio) através somente das entradas 50 e 32, sem alimentar qualquer oxidante através das entradas 48 e 27. Divido à eliminação das outras correntes de oxidante, combinadas com o efeito de ajuste provido pelas correntes emergindo das passagens secundárias que são alimentadas pelos orifícios de saída 33, a taxa de emissão de NOx é reduzida para o mais baixo nível.

CONTROLE DE NO1

Em cada fase do método da presente invenção, os fluxos de oxidante gasoso para as respectivas saídas do sistema de queimador são ajustados de modo que a produção de NOx é minimizada. O design do queimador da invenção descrito aqui possibilita baixos níveis de emissão de 10 NOx minimizados em quaisquer das várias condições de combustão. Para minimizar a produção de NOx durante a combustão, um ou mais dos seguintes métodos pode(m) ser empregado(s):

ajuste dos teores de oxigênio entre as correntes de oxidante que são alimentadas pelos espaços 48 e 50 e as correntes de oxidante que são alimentadas pelas passagens secundárias;

alimentar oxigênio de pelo menos 90 % em vol. nos espaços

48 e/ou 50 (desse modo minimizando o teor de nitrogênio naquelas correntes) somente quando operando o queimador com concentração total de oxigênio acima de 20,9 % em vol..

As passagens secundárias 11 todas formando ângulos

divergentes relativos ao eixo geométrico da primeira passagem 4.

O ajuste e o grau de ajuste podem ser realizados variando-se qualquer um ou mais dos seguintes parâmetros:

A relação entre as vazões e o teor de oxigênio da corrente emergindo do espaço 48 e as correntes alimentadas pela câmara de pressão,

A relação das vazões de oxigênio na corrente emergindo do espaço 50 e as correntes alimentadas pelo corpo oco 31 e seus orifícios de saída 33;

A magnitude do ângulo divergente das passagens secundárias A distância entre o centro das aberturas de descarga de oxidante secundárias 13 e o centro do tubo de combustível 45;

O número de aberturas de descarga 13;

A velocidade e o momento das correntes deixando as passagens secundárias 11.

Mais baixas taxas de emissão de NOx são esperadas para mais elevado grau de ajuste. O limite de ajuste é determinado pela estabilidade da chama nas mais baixas taxas de emissão de NOx e de CO de cada conjunto de condições de combustão. A presente invenção é capaz de operar em

λ

densidades de cauterização dentro da faixa de 60 a 500 kW/m .

VANTAGENS

O método de combustão e aparelho descritos aqui permitem que o combustível queime com correntes de oxidante apresentando uma concentração total de oxigênio do mínimo requerida para promover a estabilidade da chama até 100%.

Outra vantagem significativa é que as concentrações de oxigênio e as taxas de alimentação de quaisquer ou de todas as correntes de oxidante podem ser mudadas enquanto a combustão continua, isto é, sem descontinuar e recomeçar a combustão.

Além disso, a presente invenção produz baixas emissões de CO satisfatórias.

Outras vantagens da presente invenção incluem a seguinte:

A invenção promove o processo de combustão em qualquer concentração de oxigênio do oxidante dentro da faixa de 20,9 % em vol. (ou mais baixa se a estabilidade da chama puder ser conseguida) até 100 % em vol. e tem a concentração de oxigênio trocada durante a combustão em andamento.

A invenção promove taxa de emissão de NOx minimizada em cada nível de concentração de oxigênio no oxidante que é alimentado, com níveis de geração de CO aceitáveis.

A invenção minimiza as taxas de emissão de NOx em densidades de cauterização compatíveis com os atuais fomos industriais, isto é, em densidades de cauterização dentro da faixa de 60 a 500 kW/m3, com aceitáveis níveis de geração de CO.

A invenção evita a necessidade de prover duas estações de aquecimento separadas, uma com combustão disparada por oxigênio e uma com combustão disparada por ar, para acomodar situações apresentando diferentes taxas de transferência de calor.

Outras vantagens da presente invenção aparecem em aplicações industriais. Por exemplo, a melhoria de rendimento pode ser obtida em aplicações em que a oxidação é uma preocupação, tais como fusão de alumínio e reaquecimento de aço.

O consumo de combustível específico é baixo e é otimizado por toda a seqüência de etapas, tais como operações de aquecimento e retenção.

São obtidas melhores e mais uniformes transferência de calor e distribuição de temperatura.

EXEMPLARES

Em um processo de fusão de metal, uma dada temperatura alvo (que pode ser relacionada com a temperatura de carga ou com alternativamente do produto ou com a temperatura do refratário de forno ou com a temperatura do gás de combustão ou uma combinação deles) pode ser obtida para diferentes concentrações de oxigênio nas correntes de oxidante alimentadas ao sistema de queimador e queimadas ali. A fim de obter-se o melhor desempenho (neste caso, rápida taxa de fusão), a aplicação de oxigênio puro é adequada para a fase de fusão. Entretanto, uma vez a fase de fusão esteja completa, o uso de oxigênio puro na combustão do combustível não é economicamente justificável. De acordo com a invenção, a concentração total de oxigênio nas correntes de oxidante alimentadas ao sistema de queimador e queimadas ali é reduzida a um nível suficiente para manter o metal fundido e quente.

5 Outro exemplo é que, se o revestimento refratário de uma

panela tiver que ser mantido em uma dada temperatura para um longo período de tempo, o sistema de queimador pode ser operado com a mais baixa concentração total de oxigênio que sustente a combustão naquela dada temperatura. Quando houver necessidade de aumentar a temperatura do revestimento da panela, a concentração total de oxigênio é aumentada (em movimento) para o mais econômico (custo minimizado) nível que eleve a temperatura na taxa desejada. Aquecimento e pré-aquecimento de refratário de panela melhorados e tempo de vida de refratário prolongada, são obtidos devido à capacidade de promover secagem e cura com uma temperatura de chama de pico relativamente baixo (obtida realizando-se a combustão com alimentação de relativamente baixa concentração total de oxigênio) no novo revestimento refratário, e curto ciclo de aquecimento (mais elevadas taxas de transferência de calor, obtidas queimando-se com concentração total de oxigênio relativamente mais elevadas) em panelas em uso para receber e manter o metal fundido.

Outro exemplo do uso do método da presente invenção é em fomos de reaquecimento de aço contínuos ou não-contínuos, que são usados para aquecer placas de aço. Para aumentos de produtividade, isto é, reforço, a presente invenção pode ser usada queimando-se combustível com correntes 25 de oxidante tendo uma elevada concentração total de oxigênio quando a produtividade máxima é requerida. Se as exigências de produtividade diminuírem, a concentração total de oxigênio é diminuída em uma quantidade baseada nas novas necessidades mais baixas. Isso permite que o sistema de queimador seja executado em uma taxa constante (não indo através de modos de calcinação elevados e de calcinação baixos) que manteriam temperatura de forno constantes.

Um simples exemplo quantitativo pode ser dado em uma aplicação de pré-aquecimento de panela. Prática preferida é pré-aquecer uma 5 panela, rapidamente, antes de o metal fundido ser alimentado (“derivado”) dentro da panela. O pré-aquecimento aumenta o tempo de vida do refratário (para evitar/ minimizar choques térmicos) e para minimizar a queda de temperatura do metal fundido derivado dentro da panela. Para aquecimento rápido, a combustão com uma alta concentração total de oxigênio é a 10 aplicação mais adequada. Se a estação de pré-aquecimento de panela utilizar um queimador de oxi-ar que possa somente trocar entre combustão de oxi- combustível (100% oxigênio no oxidante) e combustão de ar-combustível (combustão com ar como o único oxidante), a operação usual é executar o queimador em modo de oxi-combustível no ciclo de aquecimento para 15 aquecer o revestimento de refratário de panela rapidamente e tomar a panela disponível para a oficina de fusão em um curto período de tempo. Quando houver um retardo na oficina de fusão, a panela é colocada “em espera” e o queimador é operado com ar (20,9% de concentração de oxigênio no oxidante). Se repentinamente houver uma necessidade de aquecer 20 completamente o revestimento de refratário da panela de tal maneira que a energia líquida requerida seja de I MM Btu (293 kW) em 10 min, o queimador poderia ser trocado para modo de oxi-combustível e ser operado intermitentemente, isto é, desligado quando o ponto de ajuste seja alcançado e ligado quando a temperatura do revestimento de refratário da panela cair. Esta 25 operação poderia provocar tensão térmica ao revestimento de refratário da panela, diminuindo sua vida útil. Além disso, este tipo de operação poderia também provocar problemas (tais como fadiga) às válvulas do sistema de controle (por causa da freqüente operação liga/desliga intermitente repetida).

Com o método da presente invenção, o sistema de queimador poderia ser operado na seguinte condição. Presumindo-se que o queimador é calculado para queimar 10 MM Btu/h (2930 kW), se a exigência de energia líquida for de I MM Btu (293,0 kW) em 10 min e o queimador for calculado para suprir 1,7 MM Btu (500 kW) em 10 min (10 MM Btu/h (2930 kW/h) x 5 10 min / 60 min), isto representa uma eficiência térmica (ou calor líquido disponível) de 60 % por todos os 10 min de operação. Sabendo-se que a temperatura do gás de combustão seria de 1200 0C, a concentração de oxigênio no oxidante total alimentado que corresponde ao calor líquido disponível de 60%, é determinada como sendo de 40 % em vol. Assim, o 10 queimador descrito aqui poderia ser estavelmente operado queimando-se combustível com uma corrente de oxidante contendo 40 % em vol. de oxigênio, o que promoveria um aumento suave de temperatura do revestimento de refratário de panela, desse modo evitando-se desnecessária e indesejada tensão térmica.

Se devido à exigência do programa de produção a taxa de calor

necessitar ser trocada novamente, o mesmo procedimento seria colocado em prática, isto é, a concentração total de oxigênio nas correntes de oxidante alimentadas ao sistema de queimador é variada em movimento, evitando repentinas mudanças de transferência de calor. O fato de a concentração total 20 de oxigênio poder ser variada enquanto a combustão está em andamento, sem interromper a combustão, fomecendo-se qualquer nível desejado de concentração total de oxigênio, acarreta uma vantagem econômica, uma vez que o sistema de combustão pode sempre ser operado na condição de custo mínimo, enquanto promovendo a mais baixa emissão de NOx naquela 25 concentração total de oxigênio particular.

Claims

1. Sistema de queimador, caracterizado pelo fato de compreender um corpo de queimador e um bloco de queimador, em que (A) o corpo de queimador compreender um corpo de câmara de pressão que tem superfícies traseira e laterais, que inclui um espaço de câmara de pressão que é aberto em sua frente em uma abertura de câmara de pressão uniplanar, que é definida pelas bordas dianteiras de dita superfície lateral, uma entrada de alimentação em uma superfícies traseira e laterais de dito corpo de câmara de pressão, através da qual gás pode ser alimentado dentro de dito espaço de câmara de pressão, um primeiro corpo oco que é situado completamente dentro de dito espaço de câmara de pressão e que é fechado contra passagem de gás entre dito espaço de câmara de pressão e o interior de dito corpo oco, em que o corpo oco não se estende através de dita abertura de câmara de pressão, uma entrada de alimentação através de uma superfície de dito corpo oco, através da qual gás pode ser alimentado para dentro do dito corpo oco,

2. a 16 orifícios de saída através de uma superfície de dito corpo oco, através dos quais gás pode passar para fora de dito corpo oco, cada um orientado para apontar para fora de dito espaço de câmara de pressão em direção à abertura de câmara de pressão, em que as extremidades externas de ditos orifícios de saída não se estendem além do plano de dita abertura de câmara de pressão, um primeiro tubo estendendo-se de fora da superfície traseira de dito corpo de câmara de pressão através do espaço de câmara de pressão para uma primeira extremidade de tubo que é localizada a uma primeira distância fora do plano da abertura de câmara de pressão, em que o primeiro tubo é fechado contra passagem de gás para dentro de dito primeiro tubo do espaço de câmara de pressão e do interior do corpo oco. um segundo tubo, localizado dentro do primeiro tubo, estendendo-se de fora da superfície traseira de dito corpo de câmara de pressão, através do espaço de câmara de pressão para uma extremidade de segundo tubo, que é localizada em uma segunda distância fora do plano da abertura de câmara de pressão, em que dita segunda distância é maior do que a primeira distância, em que dito segundo tubo é fechado contra passagem de gás para dentro de dito segundo tubo do espaço de câmara de pressão, do interior do corpo oco e do primeiro tubo e em que os eixos geométricos dos primeiro e segundo tubos são coaxiais ou paralelos, um terceiro tubo, localizado dentro do segundo tubo, estendendo-se de fora da superfície traseira de dito corpo de câmara de pressão, através do espaço de câmara de pressão para uma extremidade de terceiro tubo, dita segunda distância localizada fora do plano da abertura de câmara de pressão, em que dito terceiro tubo é fechado contra passagem de gás para dentro de dito terceiro tubo do espaço de câmara de pressão, do interior do corpo oco e do segundo tubo e em que os eixos geométricos dos primeiro, segundo e terceiro tubos são coaxiais ou paralelos, uma entrada de alimentação para receber gás dentro do espaço entre os primeiro e segundo tubos, uma entrada de alimentação para receber gás dentro do espaço entre os segundo e terceiro tubos, e uma entrada de alimentação para receber combustível dentro de dito terceiro tubo; e (B) o bloco de queimador compreende uma superfície dianteira e uma superfície traseira, uma primeira passagem estendendo-se através do bloco, composta de um segmento de cilindro que se estende para dentro do bloco de dita superfície traseira para a extremidade interna de dito segmento de cilindro por uma extensão pelo menos igual a dita primeira distância, o diâmetro de dito segmento de cilindro permitindo que dito primeiro tubo encaixe com justeza dentro de dito segmento de cilindro, para minimizar a passagem de gás em dito segmento de cilindro fora de dito primeiro tubo, um segmento de garganta tendo extremidades a montante e a jusante e cujo diâmetro é constante ao longo de seu eixo geométrico e é menor do que o diâmetro de dito segmento de cilindro e é maior do que o diâmetro externo de dito segundo tubo, em que a distância da superfície traseira do bloco para dita extremidade a montante é maior do que dita primeira distância e menor do que dita segunda distância e em que a distância da superfície traseira de dito bloco para dita extremidade a jusante é maior do que dita segunda distância, um segmento afilado que se estende axialmente da extremidade interna de dito segmento de cilindro para dita extremidade a montante de dito segmento de garganta, um segmento de orifício que se estende-se para dentro do bloco, da superfície dianteira do bloco para a extremidade interna do segmento de orifício, em que o diâmetro do segmento de orifício é constante e é maior do que o diâmetro de dito segmento de garganta, um segmento de envoltório que se estende da extremidade a jusante de dito segmento de garganta para a extremidade interna de dito segmento de orifício, em que ditos segmentos são coaxiais e a soma dos comprimentos axiais do segmento de orifício e do segmento de envoltório é de até 50 vezes o diâmetro do maior diâmetro do segmento de envoltório; o comprimento axial do segmento de garganta é de até 50 vezes o diâmetro do maior diâmetro do segmento de envoltório; a relação do maior diâmetro do segmento de envoltório para o diâmetro do segmento de garganta é de 1 para .50; e a distância das aberturas de descarga das passagens secundárias para o eixo geométrico da primeira passagem é de 1 - 10 vezes o diâmetro do segmento de garganta, uma pluralidade de passagens secundárias, maiores em número do que o número de ditos orifícios de saída, estendendo-se através de dito bloco das aberturas de entrada da superfície traseira de dito bloco para as aberturas de descarga na superfície da frente de dito bloco, em que ditas aberturas de entrada são bastante próximas de dita primeira passagem que, quando as bordas dianteiras de dito corpo de câmara de pressão estão em contato com a superfície traseira de dito bloco, ditas aberturas de entrada estão em contato de gás com dito espaço de câmara de pressão e em que cada passagem secundária tem um eixo geométrico em sua abertura de descarga que converge em direção ao eixo geométrico da primeira passagem em um ângulo de até 60°, diverge do eixo geométrico da primeira passagem em um ângulo de até 85° ou é paralelo ao eixo geométrico da primeira passagem; e em que dito corpo de queimador é posicionado com respeito a dito bloco de queimador, de modo que as bordas dianteiras de dito corpo de câmara de pressão ficam em contato com a superfície traseira de dito bloco, para evitar passagem de gás para fora de dito espaço de câmara de pressão, exceto para dentro de ditas passagens secundárias e os primeiro e segundo tubos estendem-se para dentro de dita primeira passagem e os orifícios de saída são alinhados com as passagens secundárias, de modo que o gás passando de um orifício de saída passa através de uma passagem secundária com que é alinhado. 2. Método para aquecer um substrato, caracterizado pelo fato de compreender (A) prover um sistema de queimador como definido na reivindicação 1, (B) determinar uma primeira taxa de transferência de calor ao substrato, (C) determinar as taxas em que o combustível e oxidante são para ser alimentados a dito sistema de queimador para serem queimados ali, e a concentração total de oxigênio de dito oxidante a ser queimado, para gerar calor de combustão a ser transferido para dito substrato de dito sistema de queimador em dita primeira taxa, (D) alimentar combustível e oxidante tendo dita concentração total de oxigênio em ditas taxas a dito sistema de queimador e queimar dito combustível e dito oxidante em dito sistema para gerar calor de combustão que é transferido para dito substrato em dita primeira taxa, enquanto distribuindo proporcionalmente as quantidades de oxigênio alimentado através de ditos primeiro e segundo tubos de dito sistema de queimador com respeito às quantidades de oxigênio alimentado através de ditas passagens secundárias e ditos orifícios de saída de dito sistema de queimador, para minimizar a formação de NOx por dita combustão, (E) determinar uma segunda taxa de transferência de calor ao substrato, que é diferente de dita primeira taxa, (F) determinar uma nova concentração total de oxigênio de dito oxidante a ser queimado e determinar novas taxas em que dito oxidante ou dito oxidante e dito combustível são para ser alimentados a dito sistema de queimador e queimar ali para gerar calor de combustão, a ser transferido para dito substrato em dita segunda taxa, e (G) enquanto continuando a alimentar combustível e oxidante a dito sistema de queimador, mudando a concentração total de oxigênio alimentado a dito sistema de queimador para dita nova concentração total de oxigênio e mudar a taxa em que dito oxidante ou dito oxidante e dito combustível são alimentados a dito sistema de queimador e continuar a queimar dito combustível e oxidante em dito sistema de queimador, sem descontinuar dita combustão, para gerar calor de combustão que é transferido para dito substrato em dita segunda taxa, enquanto distribuindo proporcionalmente as quantidades de oxigênio alimentado através de ditos primeiro e segundo tubos, com respeito às quantidades de oxigênio alimentado através de ditas passagens secundárias e ditos orifícios de saída, para minimizar a formação de NOx por dita combustão, em que a quantidade de oxigênio alimentado a dito sistema de queimador é todas as vezes suficiente para manter a combustão de dito combustível em dito sistema de queimador e em que a quantidade de oxigênio alimentado a dito sistema de queimador é todas as vezes suficiente para manter o teor de monóxido de carbono dos produtos gasosos de dita combustão a menos do que 100 ppm.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do calor ser transferido para dito substrato em dita primeira taxa, para fundir todo ou uma parte de dito substrato e calor ser transferido para dito substrato em dita segunda taxa, para manter dito substrato fundido no estado fundido.

4. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de dito substrato ser uma panela, calor ser transferido para dita panela em uma primeira taxa para aquecer a panela e calor ser transferido para dita panela em dita segunda taxa em uma temperatura mais elevada.

5. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de calor ser transferido em dita primeira taxa em um forno de reaquecimento de aço para placas de aço passando através de dito forno em uma primeira taxa de produtividade e calor ser transferido em dita segunda taxa para placas de aço passando através de dito forno em uma segunda taxa de produtividade, diferente de dita primeira taxa de produtividade.