BRPI1003906A2

BRPI1003906A2 - sistema de combustço de gÁs natural para o controle das correlaÇÕes entre radiaÇço tÉrmica formaÇço da fuligem e nox com a utilizaÇço da combustço enriquecida com oxigÊnio

Info

Publication number: BRPI1003906A2
Application number: BRPI1003906-6A
Authority: BR
Inventors: Andrade Torres Ednildo; Afonso De Paula Pereira Pedro; Álisson Bandeira Santos Alex
Original assignee: Universidade Federal Da Bahia
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2013-02-26
Also published as: WO2011088538A1

Abstract

SISTEMA DE COMBUSTçO DE GÁS NATURAL PARA O CONTROLE DAS CORRELAÇÕES ENTRE RADIAÇçO TÉRMICA FORMAÇçO DA FULIGEM E NOx COM A UTILIZAÇçO DA COMBUSTçO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO para se apropriar das correlações entre a utilização da combustão enriquecida com oxigênio - OEC - com baixos níveis de enriquecimento, formação da fuligem, radiação térmica e emissões de NOx (áxidos de nitrogênio), para o aumento da eficiência energética de queimadores e redução de impacto ambiental, composto de um sistema de aquisição de dados(1), instrumento de medição de vazão(2) sinal de tensão (3), instrumentos de detecção da fuligem(4), chama na câmara de combustão(5), feixe de raio laser (6), sistema de análise de gases(7), misturador de ar/02(8).

Description

SISTEMA DE COMBUSTÃO DE GÁS NATURAL PARA O CONTROLE DAS CORRELAÇÕES ENTRE RADIAÇÃO TÉRMICA FORMAÇÃO DA FULIGEM E NOx COM A UTILIZAÇÃO DA COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO A presente patente de invenção trata de um sistema de controle das correlações entre radiação térmica, formação da fuligem e de NOx na combustão enriquecida com oxigênio para permitir a o controle do aumento de transferência de calor por radiação pela chama através da formação da fuligem e por conseqüência o controle da emissão de NOx em decorrência da redução da temperatura de chama.

A eficiência energética é um dos pontos fundamentais para a redução de gases estufas, emitidos dos processos de combustão industrial. Os queimadores industriais são, portanto, um dos principais equipamentos que devem ter a sua eficiência térmica implementada a fim de diminuir o consumo de combustíveis, como também reduzir a emissão de gases poluentes e estufas. Inúmeras técnicas são usadas para tal, como queima estagiada, queimadores com injeção de ar com swirl e recirculação de gases. Todavia, nem sempre a eficiência energética conseguida é suficiente para diminuir o consumo de combustíveis a níveis necessários na realidade atual.

Há pouco mais de uma década, surgiu o processo de combustão enriquecida por oxigênio, em que o ar de combustão é enriquecido por oxigênio, que traz resultados interessantes, como o aumento de produtividade, eficiência térmica, menor volume de gases de exaustão, maior eficiência dos processos de transferência de calor e redução do consumo de combustível. Esta é uma técnica já difundida em processos que trabalham com altas temperaturas como siderurgias, cerâmicas e em incineradores de resíduos,

1 todavia sem registros de utilização em plantas termoelétricas e na indústria de petróleo e gás.

A formação da fuligem em sistemas de combustão constitui tema de interesse da engenharia, pois a presença da fuligem aumenta a transferência de calor por radiação térmica na chama e a sua emissão na atmosfera constitui um problema ambiental, além de aumentar a necessidade de manutenção dos queimadores. Acoplado a isto, o aumento da radiação térmica pode reduzir a temperatura da chama, reduzindo com isso a formação de NOx na chama, sendo este um importante poluente da atmosfera, possuindo efeitos na depleção da camada de ozônio, efeito estufa como também na formação de ozônio na troposfera.

O fenômeno da formação da fuligem ainda não está plenamente esclarecido, devido ao fato do processo de formação não ser lento o suficiente para permitir a observação precisa de cada passo. Para a compreensão dos aspectos essenciais d<p fenômeno, serão necessários novos progressos das técnicas de instrumentação. Portanto, apesar dos estudos já existentes sobre os mecanismos de formação e controle da fuligem, o assunto ainda continua aberto; Esta demanda por novo conhecimento científico tem sido atendida, na atualidade, por trabalhos que, em sua maioria, são realizados com chamas elementares.

Embora existam restrições para a emissão de fuligem em plantas industriais, as partículas de fuligem podem exercer tanto papéis benéficos como prejudiciais. Assim, se, por exemplo, a presença de particulado em turbinas a gás pode afetar severamente φ tempo de vida das pás e, em motores diesel, pela absorção de materiais cancerígenos, constituir um risco para a saúde humana, em contrapartida, em equipamentos térmicos

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industriais, a presença de fuligem aumenta a transferência de calor por radiação térmica da chama para as superfícies de troca. Para equipamentos industriais com grande taxa de transferência de calor, é desejável a operação com a presença da fuligem.

Com os mecanismos da formação da fuligem definidos, porém não compreendidos por completo, foram iniciados estudos com aditivos químicos a fim de identificar substâncias que pudessem ser utilizadas para um controle efetivo da formação.

O oxigênio, um dos possíveis oxidantes da fuligem, é um gás de grande uso na atividade industrial, e constitui uma proposta razoável de possível aditivo. Os níveis mais baixos de enriquecimento - teores volumétricos de oxigênio no

ar de combustão abaixo de 30% - são normalmente utilizados em aplicações de retrofit, em que somente pequenas modificações são necessárias no equipamento existente e benefícios expressivos são obtidos, com o aumento significativo da taxa de produção em processos de aquecimento com pequenos níveis de enriquecimento. Na maioria dos casos, queimadores podem operar com sucesso utilizando ar de combustão enriquecido com oxigênio até 28%, sem modificações no equipamento. !

São conhecidos no estado da arte, estudos sobre a emissão de radiação térmica e de fuligem em chamas abertas turbulentas difusas de CO, H2, CH4, C2H6, C3H8, C2HU e C2H2, variando as condições de alimentação do ar de combustão. Um sistema de combustão de gás natural para o controle das correlações entre

radiação térmica formação da fuligem e NOx com a utilização da combustão enriquecida com oxigênio tem como parâmetros de monitoramento a concentração da

3 fuligem e NOx, e a radiação térmica, em chamas difusas numa câmara de combustão cilíndrica horizontal, para diversas condições de operação.

As patentes americanas n0 US 5.199.866, US 5.256.058 e US 5.346.390

apresentam queimadores e métodos para a produção de chamas luminosas. Todas estas

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patentes utilizam a técnica de enriquecimento da combustão com O2.

O combustível utilizado no sistema requerido foi o gás natural, um gás combustível com pequena tendência à formação da fuligem. Foram aplicados níveis de enriquecimento correspondentes a teores de oxigênio de 23 e 25%, abaixo de 30%, na faixa de aplicações acima mencionada.

O objetivo desta patente é criar um sistema que permita atenuar os efeitos dos

queimadores com chamas confinadas de gás natural, equipamento este mais utilizado na indústria em geral, sobre a atmosfera (efeito estufa e formação de NOx troposférico), além do aumento da eficiência energética através do aumento da transferência de calor da chama por radiação térmica.

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Apresentação do Sistema

O sistema experimental de combustão de gás natural para o controle das correlações entre radiação térmica formação da fuligem e NOx com a utilização da combustão enriquecida com oxigênio em uma realização preferida, é constituído por

três partes: sistema de alimentação de gases, câmara de combustão cilíndrica conji queimador, e, sistema de instrumentação. O esquema do sistema é apresentado na Figura 1 com a indicação dos seus componentes principais. O sistema de alimentação provê os gases (gás natural, ar e oxigênio), com controle de vazões através de

4 rotâmetros (2), para o desenvolvimento da chama em uma câmara confinada (5). Está

chama é desenvolvida através de uma queima difusa onde os escoamentos do gás

combustível e do oxidante são desenvolvidos de forma separada, modo mais difundido

industrialmente. Também o sistema de alimentação fornece os gases (ar + oxigênio)

para o processo de enriquecimento do oxidante num pré-misturador (8). O sistema de

instrumentação foi desenvolvido para o monitoramento da formação de fuligem na

chama, através de um sistema de aquisição de dados, de laser e fotodetectores (1) (4)

(6). A.concentração de fuligem é determinada a partir da atenuação do feixe de laser (6)

pela chama (5). Esta atenuação é detectada pelos fotodetectores (4) e transmitida ai

sistema de aquisição de dados (1) por sinais de tensão (3), no qual são determinados os

valores de concentração. Os níveis da radiação térmica e da emissão de NOx na câmara

são verificados com um radiômetro e analisador de gases portátil (7), respectivamente.

O processo que ocorre no sistema experimental objetiva o seguinte: desenvolver chamas

confinadas que utilizam a técnica de OEC com baixos níveis de enriquecimento (até

30%) que promovam chamas com uma maior luminosidade, ou seja, com uma maior

concentração da fuligem, implementando a radiação térmica no espectro de

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preponderância da emissão pela fuligem (0,6 a 3 microns), e, como conseqüência; reduzindo a temperatura de chama e a emissão de NOx, já que a mesma em chamas está diretamente associada a sua temperatura. Indícios sobre estas correlações foram apresentados recentemente no estado da arte.

Nas Figuras 2, 3 e 4 apresentam os resultados experimentais encontrados com o sistema. Na Figura 2 é apresentado o aspecto de mudança de luminosidade na chama com o uso da OEC com baixos níveis de enriquecimento. Uma chama de gás natural

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ι desenvolvida com o ar atmosférico como oxidante tem uma coloração azul. Já a chama de gás natural utilizando um oxidante que é uma mistura enriquecida com ar e oxigênio tem um aspecto amarelado típico de chama com uma produção maior de fuligem.

Já a Figura 3 apresenta a implementação da radiação térmica no espectro de interesse da fuligem com o uso da OEC (teores de 23 e 25%). A radiação térmica possui um valor maior que com a queima feita com o ar atmosférico em torno de 59%.

Na Figura 4 é apresentado os resultados encontrados em experimentos para a emissão de NOx na saída da câmara de combustão. Os resultados encontrados segurem que a utilização da OEC produz emissões semelhantes à utilização do ar como oxidante, o que traz a correlação entre a formação de fuligem, OEC, radiação térmica e emissão de NOx5 anteriormente informada.

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Claims

1. O projeto do sistema experimental ora apresentado, com a injeção do oxidante paralela ao escoamento do gás combustível, ou de outra forma qualquer.

2. A utilização no sistema de oxidante com teor volumétrico de oxigênio em até 30% para a implementação da eficiência energética e redução da emissão de NOx.

3. A utilização de gás natural ou qualquer outro tipo de gás no sistema, com qualquer nível de potência do queimador.

4. A utilização no sistema de qualquer razão de equivalência para a operação da câmara de combustão.

5. O sistema acoplado de detecção da fuligem, radiação térmica e de NOx com a utilização de feixe de laser, fotodetectores, radiômetro, aquisição de dados e analisador de gases portátil ou não.