PT1627855E - Queimador e método para efectuar a combustão de combustíveis - Google Patents

Description

PE 1627855 1

DESCRIÇÃO

"QUEIMADOR E MÉTODO PARA EFECTUAR A COMBUSTÃO DE COMBUSTÍVEIS" O presente invento refere-se a queimadores de combustível e métodos para efectuar a combustão de combustíveis gasosos com oxidantes, tais como oxigénio ou ar enriquecido com oxigénio e, em particular, aos queimadores e métodos para gerar temperaturas elevadas em fornos de fundição industriais para vidro, materiais cerâmicos, metais, etc.

Embora o invento seja discutido no contexto de queimadores oxi-gás e métodos de combustão para fusão de vidro, o invento não está limitado à utilização com fornos de fundição industriais ou de fusão de vidro. Os especialistas na técnica reconhecerão que o queimador e método do presente invento podem ser utilizados em muitas outras aplicações de aquecimento por combustão. A Pat. U.S. N° 5360171 (Yap) divulga um queimador para queimar combustível num oxidante tendo um bico de injecção de combustível ensanduichado entre bicos de injecção de oxidante, superior e inferior, que estão separados e são distintos um do outro. O queimador produz jactos de combustível e oxidante com uma configuração 2 PE 1627855 divergente para o exterior em forma de leque de modo a proporcionar uma chama ampla. Os jactos de oxidante têm uma velocidade inferior à dos jactos de combustível, para que o oxidante seja aspirado para o combustível. Os bicos de injecção de oxidante secundários, superior e inferior, podem ser proporcionados para uma combustão faseada. A Pat. U.S. N° 5545031 (Joshi, et al) divulga um método e equipamento para descarregar combustível e oxidante desde um bico de injecção de um modo que dá origem a uma chama em forma de cauda de peixe ou de leque. Numa forma de realização preferencial, posiciona-se um colector de combustível no interior de um colector de oxidante. Tanto o colector de combustível como o colector de oxidante têm, de preferência, uma secção transversal rectangular num plano de saída. Numa forma de realização preferencial, ambos os colectores têm uma secção transversal essencialmente quadrada num local a montante, que converge numa direcção essencialmente vertical e diverge numa direcção essencialmente horizontal para formar a secção transversal essencialmente rectangular no plano de saída. O efeito combinado da convergência e divergência dá origem a uma transferência de quantidade de movimento líquida do fluido de um plano essencialmente vertical para um plano essencialmente horizontal para que o combustível e oxidante sejam descarregados pelo bico de injecção de uma forma relativamente ampla que dá origem a configuração de chama em forma de cauda de peixe ou de leque. 3 PE1627855 A Pat. U.S. N° 5611682 (Slavejkov, et al) divulga um queimador de oxi-combustivel faseado para gerar uma chama rica em combustível e essencialmente plana que se sobrepõe a uma chama pobre em combustível e altamente radiativa. 0 queimador tem uma passagem de combustível que termina num bico de injecção, um invólucro envolvendo a passagem de combustível com um espaço entre o invólucro e a passagem de combustível, formando o espaço uma passagem de agente oxidante. Quando se introduz combustível na passagem de combustível e se introduz um agente oxidante na passagem de agente oxidante, gera-se uma chama rica em combustível e essencialmente plana na extremidade do bico de injecção da conduta de combustível. Também se proporciona um bico de injecção de faseamento para introduzir uma parte do agente oxidante por baixo da chama rica em combustível, que é arrastado para o lado inferior da chama rica em combustível de modo a gerar uma chama pobre em combustível e altamente radiativa. A Pat. U.S. N° 5575637 (Slavejkov, et al) divulga um queimador oxi-combustível idêntico ao da Pat. U.S. N° 5611682 (Slavejkov, et al), excepto no facto deste queimador não incluir uma passagem para um agente de oxidante de faseamento e não utilizar faseamento. A Pat. U.S. N° 4690635 (Coppin) divulga um conjunto de queimador de alta temperatura tendo um corpo de injector contendo oxigénio que tem uma aplicação de conduta de gás nele colocada. A aplicação de conduta de gás inclui 4 PE1627855 uma ponta de aplicação de conduta de gás tendo uma face de ponta exterior sensivelmente plana com uma proeminência troncocónica nela colocada e sobressaindo da face da ponta. A ponta de aplicação de conduta de gás inclui um canal de gás disposto centralmente que termina na extremidade proximal da proeminência troncocónica de modo a formar um escoamento laminar. Um orifício de expulsão de oxigénio está disposto, de modo concêntrico, em torno da proeminência troncocónica, para dirigir oxigénio desde o mesmo que se vai misturar com o combustível gasoso para combustão no interior de um bloco de queimador refractário.

Do documento EP 0563793 A conhece-se um queimador oxi-combustível com meios para regular a quantidade de movimento dos escoamentos do reagente.

Apesar dos avanços feitos pelas várias concepções dos queimadores da técnica anterior, ainda restam muitos problemas, incluindo, sem estar a isso limitados: não uniformidade dos escoamentos do reagente que leva a uma não uniformidade nas propriedades da chama; níveis de turbulência elevados nas correntes do reagente que levam a taxas de mistura e combustão mais altas do que o desejado; 5 PE 1627855 acumulação e crescimento de carbono sólido na ponta do bico de injecção do combustível que leva a uma distorção da chama.

Estes problemas relacionados com desempenho levam, frequentemente, a problemas relacionados com o queimador e processo, tais como:

Chamas mais quentes e mais curtas que resultam numa distribuição incorrecta da transferência de calor e temperatura no interior do forno do processo. Estes efeitos, de um modo geral, diminuem o tempo de vida da capacidade refractária do forno e diminuem o rendimento.

Limitações na percentagem de oxidante que pode ser deflectido (faseado) para longe da mistura de combustível primário/oxidante. Esta limitação ocorre em queimadores que descarregam uma parte do combustível e agente oxidante para dentro de um bloco de queimador refractário (designado, algumas vezes, por pré-câmara de combustão) que separa o conjunto de queimador do forno do processo. As principais consequências desta limitação são taxas de transferência de calor radiante mais baixas, rendimento de combustível mais baixo e emissões de NOx mais altas.

Falha prematura dos componentes do queimador a altas temperaturas. 6 PE1627855

Gama limitada da taxa de combustão do queimador (débito do combustível).

Considerando estes e muitos outros problemas relacionados com queimadores e métodos de combustão da técnica anterior, deseja-se ter um queimador e um método para combustão que superem as dificuldades, problemas, limitações, desvantagens e deficiências da técnica anterior para proporcionar resultados melhores e mais vantajosos.

Deseja-se ainda ter um queimador e método de combustão mais eficientes para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante.

Deseja-se ainda reduzir a não uniformidade de velocidades em correntes de combustível e oxidante no ponto de mistura inicial.

Deseja-se ainda minimizar a acumulação de carbono em bicos de injecção de combustível.

Deseja-se ainda obter um escoamento aerodinâmico com um elevado grau de uniformidade em termos de velocidade e baixos níveis de turbulência.

Deseja-se ainda minimizar o diferencial de velocidade média entre a corrente de combustível e a corrente de oxidante no ponto de mistura inicial. 7 PE 1627855

Deseja-se ainda reduzir a não uniformidade na distribuição de escoamento de reagente no bico de injecção do queimador, reduzindo, ao mesmo tempo, a pressão de gás de entrada e turbulência.

Deseja-se ainda melhorar o desempenho dos fornos ao funcionar com queimadores com maior quantidade de movimento e mais faseamento, o que irá levar a chamas ricas em combustível mais prolongadas e mais estáveis com emissões de óxido de azoto (NOx) mais baixas.

Deseja-se ainda melhorar o desempenho dos fornos com chamas mais prolongadas e mais estáveis que proporcionam maiores taxas globais de transferência de calor para cargas no forno.

Deseja-se, também, melhorar ainda mais o desempenho dos fornos de vidro ao proporcionar maiores taxas de transferência de calor da chama para o vidro, aumentando, desse modo, as temperaturas do vidro do fundo, intensificando a recirculação de vidro da zona de trabalho para o depósito e reduzindo os defeitos do vidro (aumentando o rendimento).

Também se deseja aumentar a gama das taxas de combustão do queimador.

SUMÁRIO RESUMIDO DO INVENTO PE 1627855 0 presente invento é um queimador e método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante. Existem múltiplas formas de realização do queimador e do método, bem como múltiplas variações destas formas de realização.

Existem múltiplos elementos numa primeira forma de realização do queimador para efectuar a combustão de um combustível. 0 primeiro elemento é uma conduta de combustível tendo múltiplas secções de combustível, estando cada secção de combustível em comunicação fluida com outra secção de combustível e adaptada para transmitir uma corrente do combustível. Um segundo elemento é uma primeira conduta de oxidante tendo múltiplas secções de oxidante, estando cada secção de oxidante em comunicação fluida com outra secção de oxidante e adaptada para transmitir uma corrente de um oxidante. A conduta de combustível da primeira forma de realização do queimador inclui uma secção de entrada de combustível, uma secção transicional de combustível e uma secção de saída de combustível. A secção de entrada de combustível tem uma primeira entrada de combustível e uma primeira saída de combustível afastada da primeira entrada de combustível, tendo a secção de entrada de combustível uma primeira área transversal de escoamento e estando adaptada para transmitir a corrente do combustível que 9 PE 1627855 entra na primeira entrada de combustível e sai da primeira saída de combustível. A secção transicional de combustível tem uma zona de admissão de combustível e uma zona de descarga de combustível afastada da zona de admissão de combustível, estando a secção transicional de combustível adaptada para transmitir, pelo menos, uma parte da corrente do combustível que entra na zona de admissão de combustível e que sai da zona de descarga de combustível e tendo uma segunda área transversal de escoamento, variando a segunda área transversal de escoamento desde uma área transversal de escoamento inicial na zona de admissão de combustível até uma área transversal de escoamento diferente na zona de descarga de combustível. A secção de saída de combustível tem uma segunda entrada de combustível e uma segunda saída de combustível afastada da segunda entrada de combustível, estando a secção de saída de combustível adaptada para transmitir, pelo menos, uma parte da corrente do combustível que entra na segunda entrada de combustível e que sai da segunda saída de combustível e tendo uma terceira área transversal de escoamento, sendo a terceira área transversal de escoamento sensivelmente uniforme ao longo da secção de saída de combustível. A primeira conduta de oxidante da primeira forma de realização do queimador inclui uma secção de entrada de oxidante e uma secção de saída de oxidante. A secção de entrada de oxidante tem uma primeira entrada de oxidante e uma primeira saída de oxidante afastada da primeira entrada de oxidante, estando a secção de entrada de oxidante 10 PE 1627855 adaptada para transmitir uma corrente do oxidante que entra na primeira entrada de oxidante e sai da primeira saida de oxidante e tendo uma quarta área transversal de escoamento, estando, pelo menos, uma parte da secção de entrada de oxidante colocada, de modo espaçado, em torno de, sensivelmente, toda, pelo menos, uma parte de, pelo menos, uma de entre a secção de entrada de combustível, secção transicional de combustível e secção de saída de combustível. A secção de saída de oxidante tem uma zona de admissão de oxidante e uma zona de descarga de oxidante afastada da zona de admissão de oxidante, estando a secção de saida de oxidante adaptada para transmitir, pelo menos, uma parte da corrente do oxidante que entra na zona de admissão de oxidante e sai da zona de descarga de oxidante e tendo uma quinta área transversal de escoamento, sendo a referida quinta área transversal de escoamento inferior ou igual à quarta área transversal de escoamento e sendo sensivelmente uniforme ao longo da secção de saida de oxidante, estando, pelo menos, uma parte da secção de saída de oxidante colocada, de modo espaçado, em torno de, sensivelmente, toda, pelo menos, uma parte da secção de saida de combustível.

Existem muitas variações da primeira forma de realização do queimador. Numa variação, uma razão da quinta área transversal de escoamento da secção de saída de oxidante versus a terceira área transversal de escoamento da secção de saída é inferior a uma razão molar do oxidante 11 ΡΕ1627855 versus combustível exigida para uma combustão estequio-métrica.

Uma segunda forma de realização do queimador é idêntica à primeira forma de realização, mas inclui uma conduta de entrada de oxidante em forma de Y em comunicação fluida com a secção de entrada de oxidante e adaptada para introduzir a corrente do oxidante na primeira entrada de oxidante da secção de entrada de oxidante.

Uma terceira forma de realização do queimador é idêntica à primeira forma de realização, mas inclui, pelo menos, uma palheta guia colocada na secção transicional de combustível, em que a área transversal de escoamento inicial na zona de admissão de combustível da secção transicional de combustível é mais pequena do que a área transversal de escoamento diferente na saida de combustível da secção transicional de combustível.

Uma quarta forma de realização do queimador é idêntica à primeira forma de realização, mas inclui uma segunda conduta de oxidante adjacente à primeira conduta de oxidante, tendo a segunda conduta de oxidante uma segunda entrada de oxidante e uma segunda saida de oxidante afastada da segunda entrada de oxidante, estando a segunda conduta de oxidante adaptada para transmitir outra corrente do oxidante ou uma corrente de outro oxidante que entra na segunda entrada de oxidante e sai da segunda saída de oxidante. Numa variação desta forma de realização, a outra 12 PE 1627855 corrente do oxidante ou a corrente do outro oxidante que sai da segunda saída de oxidante da segunda conduta de oxidante está num local por baixo de uma chama formada por combustão da, pelo menos uma, parte da corrente do combustível que sai da segunda saída de combustível da secção de saída de combustível e da, pelo menos uma, parte da corrente do oxidante que sai da zona de descarga de oxidante da secção de saída de oxidante.

Numa quinta forma de realização do queimador para efectuar a combustão de um combustível, o queimador tem um eixo longitudinal e inclui uma ponta de queimador tendo uma primeira borda alongada adjacente a um escoamento do combustível e uma segunda borda alongada adjacente a um escoamento de um oxidante e formando um ângulo (a) de ponta primário inferior a cerca de 15° relativamente a uma linha paralela ao eixo e interceptando uma superfície a montante paralela ao eixo longitudinal. Nesta forma de realização, a primeira borda alongada e a segunda borda alongada formam um ângulo (β) de ponta secundário maior do que o ângulo (a) de ponta primário e inferior a cerca de 90° relativamente a uma linha tangente a e estendendo-se desde a primeira borda alongada na direcção do escoamento do combustível. Numa variação desta forma de realização, a segunda borda alongada inclui uma secção cónica inicial formando o ângulo (a) de ponta primário e uma secção curva que termina na primeira borda alongada. 13 PE 1627855

Outro aspecto do invento é um forno para fusão de vidro, tendo o forno, pelo menos, um queimador como em qualquer uma das formas de realização ou variações discutidas anteriormente.

Existem múltiplos passos numa primeira forma de realização do método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante. 0 primeiro passo é proporcionar uma fonte do combustível. . 0 segundo passo é proporcionar uma fonte de, pelo menos, um oxidante. 0 terceiro passo é proporcionar um queimador, tal como a primeira forma de realização do queimador discutida anteriormente. 0 quarto passo é transmitir a corrente do combustível para a primeira entrada de combustível, para que, pelo menos, uma parte da corrente do combustível seja transmitida desde a primeira entrada de combustível para a segunda saída de combustível. 0 quinto passo é transmitir a corrente do oxidante para a primeira entrada de oxidante, para que, pelo menos, uma parte da corrente do oxidante seja transmitida desde a primeira entrada de oxidante para a zona de descarga de oxidante. 0 sexto passo é efectuar a combustão de, pelo menos, uma parte do combustível que sai da segunda saída de combustível com, pelo menos, uma parte do oxidante que sai da zona de descarga de oxidante.

Existem muitas variações da primeira forma de realização do método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante. Numa variação, uma razão da quinta área transversal de escoamento da secção de saída de 14 PE1627855 oxidante versus a terceira área transversal de escoamento da secção de saída de combustível é inferior a uma razão molar do oxidante versus combustível exigida para combustão estequiométrica.

Uma segunda forma de realização do método é idêntica à primeira forma de realização do método, mas inclui dois passos adicionais. 0 primeiro passo adicional é proporcionar uma conduta de entrada de oxidante em forma de Y em comunicação fluida com a secção de entrada de oxidante e adaptada para introduzir a corrente do oxidante na primeira entrada de oxidante da secção de entrada de oxidante. 0 segundo passo adicional é introduzir, pelo menos, uma parte do oxidante na conduta de entrada de oxidante em forma de Y.

Uma terceira forma de realização do método é idêntica à primeira forma de realização do método, mas inclui o passo adicional de proporcionar, pelo menos, uma palheta guia colocada na secção transicional de combustível, em que a área transversal de escoamento inicial na zona de admissão de combustível da secção transicional de combustível é mais pequena do que a área transversal de escoamento diferente na zona de descarga de combustível da secção transicional de combustível.

Uma quarta forma de realização do método é idêntica à primeira forma de realização do método, mas inclui três passos adicionais. 0 primeiro passo adicional é proporcionar uma segunda conduta de oxidante adjacente à 15 ΡΕ1627855 primeira conduta de oxidante, tendo a segunda conduta de oxidante uma segunda entrada de oxidante e uma segunda saída de oxidante afastada da segunda entrada de oxidante, estando a segunda conduta de oxidante adaptada para transmitir outra corrente do oxidante ou uma corrente de outro oxidante que entra na segunda entrada de oxidante e sai da segunda saída de oxidante. 0 segundo passo adicional é transmitir a outra corrente do oxidante ou a corrente do outro oxidante para a segunda entrada de oxidante, pelo que, pelo menos, uma parte da outra corrente do oxidante ou, pelo menos, uma parte do outro oxidante é transmitida desde a segunda entrada de oxidante para a segunda saída de oxidante. 0 terceiro passo adicional é efectuar a combustão de, pelo menos, outra parte do combustível que sai da segunda saída de combustível com, pelo menos, uma parte da outra corrente do oxidante ou, pelo menos, uma parte do outro oxidante que sai da segunda saída de oxidante. Numa variação desta forma de realização, a outra corrente do oxidante ou a corrente do outro oxidante que sai da segunda saída de oxidante da segunda conduta de oxidante está num local por baixo de uma chama formada por combustão da, pelo menos uma, parte da corrente do combustível que sai da segunda saída de combustível da secção de saída de combustível e da, pelo menos uma, parte da corrente do oxidante que sai da zona de descarga da secção de saída de oxidante.

Outra forma de realização do método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante inclui 16 PE1627855 múltiplos passos. 0 primeiro passo é proporcionar uma fonte do combustível. 0 segundo passo é proporcionar uma fonte do oxidante. 0 terceiro passo é proporcionar um queimador para efectuar a combustão do combustível com o oxidante, tal como o queimador na quinta forma de realização do queimador discutido anteriormente. 0 quarto passo é efectuar a combustão de, pelo menos, uma parte do combustível com, pelo menos, uma parte do oxidante num local adjacente à ponta do queimador. Numa variação desta forma de realização do método, a segunda borda alongada inclui uma secção cónica inicial que forma o ângulo (a) de ponta primário e uma secção curva que termina na primeira borda alongada.

Outro aspecto do invento é um processo para a fusão de vidro, incluindo o processo um método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante tal como em qualquer das formas de realização e variações discutidas anteriormente.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS 0 invento vai, agora, ser descrito a título de exemplo, fazendo-se referência aos desenhos em anexo, nos quais: A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma vista lateral de uma forma de realização do invento; 17 PE 1627855 A Figura 2 é um diagrama esquemático de uma vista lateral de uma ponta de queimador para uma forma de realização do invento; A Figura 3 é um diagrama esquemático de uma vista frontal de uma ponta de queimador para uma forma de realização do invento; A Figura 4 é um diagrama esquemático de uma vista de extremidade de um queimador para uma forma de realização do invento que ilustra uma entrada de oxidante em forma de Y; A Figura 5 é um diagrama esquemático de uma vista em planta de uma parte do bico de injecção de combustível para uma forma de realização do invento que ilustra a utilização de palhetas guia na secção transicional do bico de injecção de combustível; A Figura 6 é um diagrama esquemático de uma vista lateral de uma parte do queimador para uma forma de realização do invento que ilustra uma forma preferencial da câmara de oxidante; A Figura 7 é um diagrama esquemático de uma vista lateral de outra forma de realização do invento que ilustra uma forma alternativa da câmara de oxidante; A Figura 8 é um diagrama esquemático de uma vista em corte de uma forma de realização do queimador do presente 18 PE1627855 invento utilizado em associação com um bloco de queimador refractário; A Figura 9 é um gráfico que compara a radiância relativa da chama de um queimador do presente invento com a de um queimador da técnica anterior com diferentes comprimentos de onda; A Figura 10 é um diagrama esquemático que ilustra mecanismos de transferência de calor de radiação a partir de uma chama gerada no interior de um forno para vidro por um queimador e método do presente invento; A Figura 11 é um gráfico que ilustra a radiância da chama normalizada tal como medida por cima e por baixo de uma chama gerada por um queimador e método do presente invento; A Figura 12 é um diagrama esquemático que ilustra uma ponta de queimador com uma extremidade de concepção quadrada; A Figura 13 é um diagrama esquemático que ilustra uma ponta de queimador com uma extremidade de concepção arredondada; A Figura 14 é um diagrama esquemático que ilustra uma ponta de queimador com uma concepção de ângulo simples, escoamento separado e laminar; 19 PE 1627855 A Figura 15 é um diagrama esquemático que ilustra uma ponta de queimador com uma concepção de ângulo simples, escoamento agregado e laminar; A Figura 16 é um diagrama esquemático que ilustra uma forma de realização de uma ponta de bico de injecção do presente invento; A Figura 17 é um diagrama esquemático que ilustra padrões de escoamento de reagente para uma forma de realização de uma ponta de bico de injecção do presente invento; A Figura 18 é uma fotografia que ilustra a ocorrência de acumulação de carbono na ponta de um queimador da técnica anterior; e A Figura 19 é um diagrama esquemático que ilustra uma configuração de um forno para vidro.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DO INVENTO 0 invento é um queimador e um método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante. Embora o invento seja aqui discutido no contexto de um queimador oxigénio/gás (oxi-gás) para aplicações de fusão de vidro, não está limitado a estes queimadores e aplicações. Os especialistas na técnica compreenderão que o 20 PE 1627855 queimador e método podem ser utilizados em muitas outras aplicações de aquecimento por processo de combustão, incluindo, sem estar a isso limitado, fornos de cimento, fornos de fundição de metais ferrosos/não-ferrosos e geradores de vapor.

Quando utilizado em aplicações de fusão de vidro, o queimador de oxi/gás produz uma chama ampla de alta temperatura com um rácio de regulação expandido e capacidade de dirigir (i. e., atrasar a introdução de) uma elevada percentagem de oxigénio por baixo da chama para intensificar a radiação, diminuir os NOx e melhorar o controlo do comprimento da chama e quantidade de movimento relativamente ao que se conseguia anteriormente com os queimadores da técnica anterior. Este melhoramento de desempenho é um resultado da concepção e configuração inovadoras dos componentes do queimador. Em aplicações de fusão de vidro, o queimador é, de um modo geral, utilizado em associação com um bloco de queimador refractário posicionado entre o queimador e o espaço de combustão do forno. 0 termo "combustível", tal como aqui utilizado, refere-se a um qualquer combustível gasoso adequado para fins de combustão. Embora um combustível preferencial seja o gás natural, podem utilizar-se gases combustíveis diferentes, tais como hidrogénio, etano, propano, butano, acetileno e outros combustíveis gasosos e suas combinações. 21 PE1627855 0 termo "oxidante", tal como aqui utilizado, refere-se a oxigénio, ar enriquecido com oxigénio ou a qualquer outro oxidante adequado com uma concentração de oxigénio superior a cerca de 21% em volume. Um oxidante preferencial é oxigénio puro comercial gerado por uma instalação de separação criogénica do ar ou por um processo de adsorção. A concentração de oxigénio de um oxidante deste tipo é, tipicamente, superior a 90% em volume. A combinação de oxigénio puro comercial e gás natural é, frequentemente, utilizada em fornos de alta temperatura, tais como fornos de fusão de vidro. A Figura 1 mostra uma vista lateral de uma forma de realização do queimador 10 do presente invento. Um combustível 12, tal como gás natural, entra na entrada 14 de combustível da secção 16 de entrada de combustível. O combustível escoa-se através da secção de entrada de combustível, secção 18 transicional de combustível e secção 20 de saída de combustível, saindo por uma saída 22 de combustível. Na forma de realização ilustrada na Figura 1, a secção de entrada de combustível é um tubo redondo, a secção transicional de combustível é uma secção transicional de redondo para plano e a secção de saída de combustível é uma peça com uma secção transversal plana. As três secções são, de preferência, um conjunto de bico de injecção de combustível pré-soldado, numa única peça com três secções. 22 PE 1627855

No que se refere, ainda, à Figura 1, um oxidante 24, tal como oxigénio, é introduzido num colector 26 de entrada de oxidante, tal como a entrada de oxidante em forma de Y aerodinâmica mostrada na Figura 4. 0 oxidante acaba por se escoar para uma câmara 28 de oxidante e é transmitido para uma secção 30 de saída de oxidante. Uma chapa 32 entre a câmara de oxidante e a secção de saída de oxidante tem uma abertura 34 através da qual o oxidante se escoa, como mostrado na Figura 2. A Figura 6 ilustra ainda esta forma de realização. Os especialistas na técnica compreenderão que é possível haver formas de realização alternativas, tais como a forma de realização alternativa mostrada na Figura 7.

Como mostrado na Figura 1, pinos 36 de posicionamento aerodinâmicos proporcionam o suporte entre a secção 20 de saída de combustível e a secção 30 de saída de oxidante. Um difusor 33 de oxidante pode ser proporcionado a montante da câmara 28 de oxidante. O propósito deste difusor é ajudar a distribuir o escoamento de oxidante que entra na câmara de oxidante. No que se refere, ainda, à Figura 1, outra conduta 40 de oxidante (câmara de faseamento de oxigénio) adjacente à câmara 28 de oxidante permite a utilização de faseamento. O escoamento de oxidante desde a câmara de oxidante para a câmara de faseamento de oxidante ou conduta de oxidante pode ser regulado por uma válvula 42 de faseamento ou outro meio de regulação. 23 PE 1627855 A Figura 2 ilustra a secção de saida de queimador formada pela secção 20 de saida de combustível e secção 30 de saída de oxidante. A Figura 3 mostra uma vista frontal da secção de saída de queimador para uma forma de realização do queimador. No entanto, os especialistas na técnica compreenderão que a secção de saída de queimador pode ter (uma) forma(s) diferente(s) da mostrada na Figura 3. A Figura 8 mostra uma vista em corte esquemática do queimador 10 do presente invento acoplado a um bloco 150 de queimador refractário. Uma chama 151 de alta temperatura forma-se no interior da câmara 152 de topo do bloco de queimador. O oxidante 153 emanado da secção 30 de saída de oxidante do queimador envolve a chama, introduzindo, simultaneamente, oxidante na chama e proporcionando um arrefecimento convectivo da superfície 154 refractária adjacente à chama. O oxidante 155 de faseamento atravessa a câmara 156 inferior do bloco de queimador.

Os resultados melhorados do presente invento relativamente à técnica anterior devem-se à configuração e estrutura exclusivas dos vários componentes do queimador 10. Alguns dos aspectos mais importantes da estrutura e configuração são discutidos em seguida.

Por exemplo, como mostrado nas Figuras 1 e 2, a área transversal de escoamento da secção 30 de saída de oxidante deve ser inferior ou igual à área transversal de 24 PE 1627855 escoamento da câmara 28 de oxidante e ser sensivelmente uniforme ao longo de toda a secção de saída de oxidante. (Os pinos 36 de posicionamento aerodinâmicos reduzem, efectivamente, a área transversal de escoamento da secção de saída de oxidante, localmente, em cerca de 3%, mas estão concebidos de modo a não gerarem vórtices turbulentos nem alterarem, significativamente, a distribuição de velocidade do oxidante na zona de descarga da secção de saída.) A finalidade de diminuir a área transversal de escoamento é permitir que a pressão estática do escoamento de oxidante diminua na direcção do escoamento, dado que um gradiente de pressão "favorável" desse tipo ajuda a eliminar não uniformidades da velocidade. A área transversal de escoamento da secção 18 transicional de combustível varia desde uma área de escoamento transversal inicial na zona de admissão de combustível da secção transicional de combustível até uma área de escoamento transversal diferente na zona de descarga de combustível da secção transicional de combustível. A área transversal de escoamento da secção 20 de saída de combustível é sensivelmente uniforme ao longo desta. Numa forma de realização, a área transversal de escoamento na zona de admissão da secção transicional de combustível é superior ou igual à área transversal de escoamento na zona de descarga da secção transicional de combustível dado que isto cria um gradiente de pressão favorável, com benefícios como salientado anteriormente. (o caso em que as áreas de entrada e saída são iguais cria um 25 PE 1627855 gradiente de pressão neutro que não afecta, negativamente, a distribuição da velocidade de escoamento.)

Noutra forma de realização, a área transversal de escoamento na zona de admissão da secção 18 transicional de combustível é inferior à área transversal de escoamento na zona de descarga da secção transicional de combustível. Uma forma de realização destas facilita a geração de um gradiente de pressão "adverso" (aumento de pressão na direcção de escoamento) que, sem intervenção, levaria a aumentos na não uniformidade da velocidade e, potencialmente, à formação de zonas de escoamento inverso e níveis de turbulência elevados. De modo a impedir estas consequências perniciosas, esta forma de realização obriga à inserção de uma ou mais palhetas 50 guia, como mostrado na Figura 5.

Numa forma de realização, a área transversal de escoamento na zona de descarga de combustível da secção 18 transicional de combustível é sensivelmente não circular e a área transversal de escoamento da secção 20 de saída de combustível é sensivelmente não circular. Noutra forma de realização, a secção de saída de combustível tem um rácio largura/altura superior a cerca de 2:1 na saída 22 de combustível e a secção transicional de combustível tem um rácio largura/altura superior a cerca de 2:1 na zona de descarga de combustível. Ainda noutra forma de realização, um rácio da área transversal de escoamento na zona de descarga da secção 30 de saída de oxidante versus a área 26 PE 1627855 transversal de escoamento na saída de combustível da secção 20 de saída de combustível é inferior a uma razão molar do oxidante versus combustível exigida para combustão estequiométrica. (A combustão estequiométrica é, teoricamente, a combustão completa do combustível sem oxidante em excesso. Quanto à combustão de metano com oxigénio, o rácio de áreas supracitado seria, por conseguinte, inferior a 2:1 nesta forma de realização.)

Este aspecto do invento estabelece um rácio de velocidades médias de escoamento na secção 20 de saída de combustível e secção 30 de saída de oxidante que é igual a 1,0 apenas quando há uma quantidade inferior a uma quantidade estequiométrica de oxidante a escoar através da secção de saída de oxidante. O efeito assim conseguido serve para minimizar a diferença entre velocidades médias de escoamento de combustível e correntes de oxidante e, portanto, a resistência ao corte e proporção de mistura entre as correntes de reagente, quando a quantidade de oxidante que se escoa através da secção de saída de oxidante é menor do que a quantidade estequiométrica de oxidante. O benefício resultante é permitir percentagens elevadas de faseamento de oxidante sem arriscar danos no queimador 10 ou bloco 150 de queimador refractário devidos à alta temperatura. Níveis de faseamento mais altos dão origem a chamas mais compridas e mais luminosas que geram um maior rendimento energético e emissões de NOx reduzidas. 27 PE 1627855

Os resultados melhorados conseguidos por aspectos do invento descrito até agora foram verificados através de testes laboratoriais e de campo, comparando o desempenho do queimador do presente invento com o queimador da técnica anterior descrito na Pat. U.S. N° 5611682 (Slavejkov, et al) . Alguns dos resultados destes testes e as comparações são discutidos em seguida.

Foram feitas medições das distribuições das velocidades nas saídas de combustível e oxidante dos dois queimadores. A não uniformidade da velocidade foi quantificada utilizando um único parâmetro que representa o desvio padrão da velocidade local relativamente à velocidade média numa secção transversal de escoamento particular. Os resultados das medições e cálculos subsequentes indicam que a não uniformidade da velocidade do queimador do presente invento é, em média, um terço da magnitude do queimador da técnica anterior. A distribuição de escoamento do bico de injecção conseguida com o queimador do presente invento traduz-se num melhor controlo dos processos de mistura entre oxigénio e gás natural. Especificamente, uma melhor uniformidade significa menores velocidades de corte e menos hipótese de um esgotamento localizado de oxigénio. Consequentemente, há uma maior capacidade de faseamento e um risco menor de sobre-aquecimento no interior do pré-combustor ou bloco de queimador. Além disso, uma melhor uniformidade do escoamento de reagente dá origem a uma melhor uniformidade das propriedades das chamas e, em particular, à redução de 28 PE1627855 temperaturas de pico das chamas que levam ao sobre-aquecimento da parte refractária dos fornos e maiores emissões de NOx.

Uma comparação dos requisitos de pressão estática da entrada de combustível dos dois queimadores mostrou uma redução substancial no requisito de pressão da entrada de combustível relativamente ao queimador da técnica anterior. Em particular, as medições mostraram uma redução superior a 80% na pressão de entrada de combustível no queimador do presente invento. A redução de pressão deve-se, principalmente, ao requisito que obriga a que a área transversal de escoamento da secção 20 de saída de combustível seja sensivelmente uniforme ao longo da mesma. Portanto, não há dispositivos de mistura estáticos (tais como placas deflectoras) na secção de saída. Estes dispositivos de mistura estáticos são utilizados, convencionalmente, para melhorar a uniformidade da velocidade ao criar uma grande queda de pressão (que dissipa energia na forma de vórtices turbulentos) e promover uma mistura turbulenta. O queimador do presente invento evita a necessidade da existência de dispositivos de mistura estáticos e, deste modo, consegue a "suavização" do perfil da velocidade no interior da secção 18 transicional de combustível com uma queda de pressão mínima e uma geração de turbulência negligenciável.

As medições mostraram que a pressão de entrada de combustível do queimador 10 do presente invento é mais baixa na forma de realização que utiliza palhetas 50 guia 29 PE1627855 na secção 18 transicional de combustível, dado que as palhetas guia convertem, efectivamente, uma parte da energia cinética, na passagem da zona de admissão para a secção transicional, em energia de pressão na zona de descarga da secção transicional, obtendo, ao mesmo tempo, a suavização de velocidade exigida. 0 queimador 10 do presente invento também exige uma pressão de entrada de oxigénio sensivelmente mais baixa do que o queimador da técnica anterior para dois modos de funcionamento: 1) válvula 42 de faseamento fechada e 2) válvula de faseamento totalmente aberta. Tal como a pressão de entrada de combustível, o motivo principal para isto é que a área transversal de escoamento da secção 30 de saída de oxidante é sensivelmente uniforme em toda a secção de saída de oxidante e, portanto, isenta de efeitos de perturbação de escoamento e geração de turbulência dos dispositivos de mistura estáticos. A suavização da distribuição de velocidade de oxigénio ocorre entre a câmara 28 de oxigénio e a zona de admissão da secção 30 de saída de oxigénio por meio da redução na área transversal de escoamento existente entre estas duas secções.

Dado que a maioria das instalações de queimadores têm pressões limitadas de fornecimento de oxigénio e/ou combustível, uma vantagem principal das reduções substanciais nos requisitos de pressão de combustível e oxigénio conseguidas com o presente invento está na capacidade de inflamar queimadores com um rendimento mais 30 PE 1627855 elevado. Nalguns casos, as pressões mais baixas também podem dar origem a menores consumos de energia para uma instalação de separação de ar que fornece oxigénio enquanto oxidante. Além disso, o menor nivel de turbulência gerado no queimador do presente invento permite fazer com que o queimador funcione com um rendimento elevado, com um menor risco de sobreaquecimento do queimador ou distribuição incorrecta da temperatura no forno provocada pela geração de uma chama curta e excessivamente turbulenta.

Também se fizeram medições de radiação espectral das chamas dos dois queimadores durante uma combustão ao ar livre. Na Figura 9 apresenta-se uma comparação das emissões espectrais de chama a uma taxa de alimentação de 15 MMBtu/hr, com níveis de faseamento de oxidante nos seus níveis de concepção máximos respectivos. O nível de concepção de faseamento máximo para estes queimadores é determinado pela capacidade que o oxidante que emana da secção 30 de saída de oxidante tem para proporcionar um arrefecimento adequado do pré-combustor em toda a gama de valores da taxa de alimentação do queimador. O nível de faseamento de oxigénio máximo passível de ser obtido na prática para o queimador do presente invento é, pelo menos, 70% do oxigénio de combustão total, enquanto um nivel de faseamento máximo para o queimador da técnica anterior anda, de um modo geral, nos 40% da gama de valores, consoante a taxa de alimentação. 31 PE 1627855

Os limites de faseamento para o queimador do presente invento são alargados relativamente à técnica anterior porque a distribuição melhorada de escoamento do bico de injecção e os níveis inferiores de turbulência reduzem a taxa de mistura entre as correntes de combustível e oxigénio no interior do pré-combustor e também minimizam a ocorrência de deficiências locais no escoamento de oxigénio. Estas características de escoamento aperfeiçoadas asseguram um arrefecimento adequado do pré-combustor para o queimador do presente invento, mesmo durante o funcionamento com níveis elevados de faseamento e taxas de alimentação elevadas.

Como mostrado, a radiação emitida pelo queimador do presente invento é sensivelmente mais alta (superior a 25% de aumento global). 0 aperfeiçoamento de radiação principal na banda de comprimento de onda abaixo dos 1800 nm, significando um aumento na emissão de corpo negro, cuja causa é a chama primária mais enriquecida em combustível para o queimador (devido a níveis de faseamento de oxigénio mais elevados) e, consequentemente, uma formação mais abundante e aumento de partículas de fuligem. A transferência de calor de radiação nesta gama do espectro electromagnético é ideal em depósitos de fusão de vidro dado que a gama espectral se situa na zona da maior transmissibilidade óptica do vidro fundido. Portanto, a energia transferida da chama está apta a penetrar profundamente na massa de vidro fundida, proporcionando um 32 PE 1627855 aquecimento mais uniforme e uma utilização eficiente da energia disponível no combustível. A Figura 10 mostra uma vista lateral do funcionamento do queimador do presente invento num forno 80 de vidro típico. O combustível 82 e oxigénio 84 são sujeitos à combustão no queimador para criar uma chama 86 primária rica em combustível ao abrigo da qual o oxidante 88 de faseamento é transmitido. A chama primária rica em combustível tem uma concentração de fuligem elevada. A radiação 90 no sentido ascendente é transmitida na direcção da abóbada 92 do forno. A reacção do oxidante de faseamento cria uma chama 94 estequiométrica relativamente quente no lado inferior da chama primária a partir do qual se transmite uma radiação 96 no sentido descendente para a matéria-prima 98 ou carga. Um efeito principal do faseamento da parte inferior da chama é que produz radiação de corpo negro que é, de preferência, dirigida no sentido descendente na direcção da matéria-prima 98 ou carga. Os mecanismos primários que dão origem a este efeito são a formação intensificada de fuligem da chama 86 primária rica em combustível acoplada com o lado inferior a alta temperatura e alta luminosidade da chama 94 criado pela reacção entre o oxidante 88 de faseamento e a chama primária. Embora a radiação 96 que emana do lado inferior da chama tenha um percurso essencialmente desobstruído na direcção da matéria-prima (e. g., massa de vidro fundida), a chama primária opaca, "opticamente espessa" obstrui, parcialmente, a transmissão no sentido ascendente da 33 PE 1627855 radiação. 0 efeito de tendência assim gerado é, claramente, benéfico para o processo de fusão de vidro dado que maximiza o aquecimento da superfície de vidro pela chama, ao mesmo tempo que minimiza o aquecimento radiativo directo da abóbada 92 do forno.

No que se refere à Figura 11, foram feitas medições laboratoriais da radiação térmica que emana no sentido descendente e ascendente desde o queimador do presente invento na largura de banda de 600 a 1800 nm. Os resultados foram apresentados como radiância de chama normalizada versus riqueza de mistura de chama primária. A radiância de chama normalizada é a radiância da chama, integrada ao longo da largura de banda citada, dividida pela radiância de chama integrada numa riqueza de mistura de chama primária de 1,0 (correspondente à combustão estequiométrica sem faseamento). A riqueza de mistura de chama primária é a razão real do combustível versus agente oxidante (primário) dividida pela razão do combustível versus agente oxidante para a combustão estequiométrica. Portanto, maiores riquezas de mistura correspondem a chamas primárias mais ricas em combustível. Os resultados indicam, claramente, uma diferença progressivamente crescente (tendência) na radiação direccional com uma riqueza de mistura crescente. Quanto mais rica em combustível for a chama primária, maior a percentagem de radiação total de corpo negro dirigida no sentido descendente. Deste modo, a capacidade de funcionar com maiores níveis de faseamento de oxidante proporcionada pelo queimador do presente invento, 34 PE 1627855 não só produz uma chama mais radiante, como dirige uma maior percentagem dessa radiação na direcção da matéria-prima 98, ao mesmo tempo que protege a abóbada 92 de radiação em excesso.

As Figuras 12-17 e a discussão que se segue estão relacionadas com a ponta avançada do bico de injecção do queimador do presente invento que proporciona uma maior durabilidade do queimador e uma manutenção reduzida do queimador. A concepção da ponta, como utilizada neste contexto, refere-se ao contorno da superfície que separa as correntes de oxidante e combustível imediatamente a montante do ponto no qual os reagentes são descarregados do bico de injecção do queimador. Quatro variações comuns das concepções da ponta da técnica anterior mostradas nas Figuras 12-15, são: • Figura 12 - Borda quadrada laminar laminar

Figura 13 - Borda redonda

Figura 14 - Ângulo simples, escoamento separado e Figura 15 - Ângulo simples, escoamento agregado e

Cada uma destas concepções da técnica anterior tem, pelo menos, uma deficiência intrínseca, como discutido em seguida. 35 ΡΕ1627855 A ponta 100 do queimador de extremidade quadrada mostrada na Figura 12 dá origem a um escoamento separado do oxidante 102 e combustível 104 na ponta. Consoante o rácio das velocidades de oxidante e combustível, isto pode gerar vórtices 106 de recirculação simétricos, relativamente em grande escala, cujos segmentos irão ser ricos em combustível, promovendo o aumento de carbono sólido na ponta. A ponta 110 de queimador de extremidade redonda mostrada na Figura 13 também dá origem a um escoamento separado do oxidante 112 e combustível 114 na ponta. Consoante o rácio das velocidades de oxidante e combustível, isto também pode gerar vórtices 116 de recirculação simétricos, mais pequenos mas ainda substanciais (comparativamente com a extremidade quadrada), cujos segmentos irão ser ricos em combustível, promovendo o aumento de carbono sólido na ponta. A ponta 120 de queimador de ângulo simples, escoamento separado e laminar mostrada na Figura 14 também dá origem a um escoamento separado do oxidante 122 e combustível 124 na ponta. Consoante o rácio das velocidades de oxidante e combustível, isto também pode gerar dois vórtices 126 de recirculação assimétricos, relativamente em grande escala, cujos segmentos irão ser ricos em combustível, promovendo o aumento de carbono sólido na ponta. A borda 128 afiada no fundo direito da ponta do bico de injecção também pode restringir a condução de calor para 36 PE 1627855 longe da ponta, o que dá origem a uma distorção da ponta termicamente induzida. 0 ângulo (oíCrit) critico para a separação de escoamento é, nominalmente, inferior a 15 graus. A ponta 130 de queimador de ângulo simples, escoamento agregado e laminar mostrada na Figura 15 é um melhoramento das concepções das Figuras 12-14. Dado que o ângulo de divergência da superfície de oxidante é inferior ao ângulo (acrit) crítico para a separação de escoamento, os escoamentos do oxidante 132 e combustível 134 permanecem agregados à ponta do bico de injecção e impede-se a acumulação de carbono na ponta. No entanto, a borda 138 fina e afiada é mecanicamente instável e tem uma tendência ainda maior para a deformação da ponta induzida termicamente do que a concepção de ângulo simples, escoamento separado e laminar. Depois de ocorrer a deformação, o desempenho do queimador é adversamente afectado.

Como mostrado, cada uma das concepções de ponta nas Figuras 12-15 tem, pelo menos, uma deficiência intrínseca - ou escoamento separado de um ou mais dos reagentes, ou robustez mecânica inadequada. Sabe-se que estas deficiências levam a problemas operacionais e de manutenção relacionados com a acumulação de carbono e distorção da ponta, precursores da distorção da chama e desempenho incorrecto do queimador e/ou avaria prematura. 37 PE1627855 A ponta 140 de bico de injecção avançada do presente invento inclui três parâmetros de concepção mostrados na Figura 16. O ângulo (a) de ponta primário é suficientemente pequeno para assegurar que a flexão inicial das linhas de corrente do oxidante ocorra sem induzir separação de escoamento. O raio (R) facilita uma transição suave da corrente de oxidante entre a secção 147 afunilada rectilinea e o bico 148. Este raio, comparado com uma ponta afiada, atrasa, sensivelmente, a separação de escoamento nesta zona transicional. Por fim, o ângulo (β) secundário agudo proporciona uma finalização do bico de injecção que restringe, sensivelmente, a migração de retorno do gás combustível na direcção do lado do oxidante do bico de inj ecção. A Figura 17 ilustra os benefícios operacionais da ponta 140 de bico de injecção avançada do presente invento. O bico 148 alargado impede a deformação térmica ao proporcionar um percurso suficientemente amplo para dissipar o calor afastando-o da ponta por meio de condução, o ângulo (β) de ponta agudo restringe a recirculação de gás combustível e, consoante o rácio das velocidades de oxidante e combustível, a separação entre o escoamento de oxidante ou combustível na ponta é mínima ou inexistente. Impede-se, assim, a acumulação de carbono na ponta.

Numa forma de realização do invento, os intervalos dos parâmetros de concepção da ponta são: ângulo de ponta primário, a: 0 < a < 15 38 PE1627855 raio de viragem, R: não absolutamente essencial, mas recomendado R > 1/64 pol ângulo secundário, β: β < 90°

Como exemplo do melhoramento proporcionado pela concepção de ponta do queimador melhorada, a Figura 18 ilustra a quantidade de acumulação 160 de carbono que ocorre numa ponta idêntica, em termos de concepção, à ilustrada na Figura 13 durante um período de, aproximadamente, duas semanas num forno de vidro industrial. A concepção de ponta de queimador melhorada do presente invento mostrou uma acumulação de carbono indetectável na mesma posição de queimador, com os mesmos parâmetros de funcionamento de queimador durante um período de tempo sensivelmente acima de duas semanas. A Figura 19 ilustra a configuração de um forno 60 de vidro típico tendo um lado 62 esquerdo e um lado 64 direito. Os queimadores, tais como os do presente invento, são posicionados em ambos os lados e geram chamas 66 de alta temperatura no forno. Os gases de combustão provenientes da combustão do combustível e oxidante saem através das chaminés 68 mostradas nos lados esquerdo e direito do forno. Enfornas 70 entram no forno e são fundidas pelo calor gerado pelas chamas de alta temperatura. O produto 72 fundido é retirado do forno e transportado por meios de transporte (não mostrados) para um refinador (não mostrado). 39 PE 1627855 0 desempenho do forno é melhorado de muitas formas em resultado do desempenho melhorado do queimador e método do presente invento. A capacidade de accionar os queimadores com uma maior quantidade de movimento e mais faseamento (comparativamente com os dos queimadores da técnica anterior) leva a chamas ricas em combustível mais compridas e mais estáveis com menores emissões de NOx. As chamas mais compridas e mais estáveis conferem maiores taxas globais de transferência de calor para a carga. De igual modo, a combinação de uma melhor uniformidade das propriedades das chamas e um funcionamento altamente faseado minimiza a temperatura/radiação de pico das chamas, ajudando, desse modo, a reduzir a formação de estruturas alveolares. Taxas mais elevadas de transferência de calor da chama para o vidro aumentam a temperatura de fundo do vidro, intensificando a recirculação de vidro do refinador para o depósito, reduzindo, desse modo, defeitos no vidro (produção aumentada). Por fim, a eliminação da acumulação de carbono em pontas de queimadores impede a distorção das chamas, melhora a durabilidade dos queimadores e reduz os requisitos de manutenção. A validação dos benefícios no desempenho dos fornos derivada da utilização do queimador do presente invento foi conseguida pela execução de um teste de forno em condições reais no qual os queimadores do presente invento substituíram queimadores da técnica anterior, como ensinado na Pat. U.S. N° 5611682 (Slavejkov, et al) . 0 forno industrial utilizado para este teste é idêntico ao 40 PE 1627855 ilustrado na Figura 8, tendo quatro posições de combustão (pares de queimadores esquerdo e direito) e quatro chaminés. A composição da matéria-prima, caudal de extracção do forno (velocidade de remoção do produto do forno) e escoamentos de gás natural e oxigénio dos queimadores permaneceram, essencialmente, inalterados antes e depois da instalação dos queimadores do presente invento. Os parâmetros chave de funcionamento e resultados do teste de forno em condições reais são apresentados no Quadro 1.

Quadro 1

Parâmetro Alteração no Parâmetro Durante o Teste dos Queimadores do Presente Invento do Forno em Condições Reais Quantidade de Movimento de Chama Aumento de 100% Média (calculada) Nível de Faseamento de Oxigénio Aumento de 5% a 70% Médio (% de escoamento de oxigénio total) Temperatura de Fundo do Forno Aumento de 16 °F Média Rendimento do Produto Aumento de 5% (absoluto) Emissões NOx Diminuição de 14%

Embora seja aqui ilustrado e descrito fazendo-se referência a determinadas formas de realização especificas, o presente invento, não obstante, não se destina a limitar os pormenores mostrados. Em vez disso, os pormenores podem 41 PE 1627855 ser sujeitos a várias modificações abrangidas pelo âmbito do invento, como definido pelas reivindicações.

Lisboa, 10 de Fevereiro de 2009

Claims (18)

1 PE 1627855 REIVINDICAÇÕES 1. Queimador (10) para efectuar a combustão de um combustível (12) compreendendo: uma conduta de combustível tendo múltiplas secções de combustível, estando cada secção de combustível em comunicação fluida com outra secção de combustível e adaptada para transmitir uma corrente do combustível (12), incluindo uma secção (16) de entrada de combustível tendo uma primeira entrada (14) de combustível e uma primeira saída de combustível afastada da primeira entrada (14) de combustível, tendo a secção de entrada de combustível uma primeira área transversal de escoamento e estando adaptada para transmitir a corrente do combustível (12) que entra na primeira entrada (14) de combustível e sai da primeira saída de combustível, uma secção (18) transicional de combustível tendo uma zona de admissão de combustível e uma zona de descarga de combustível afastada da zona de admissão de combustível, estando a secção (18) transicional de combustível adaptada para transmitir, pelo menos, uma parte da corrente do combustível (12) que entra na zona de admissão de combustível e que sai da zona de descarga de combustível e 2 PE1627855 tendo uma segunda área transversal de escoamento, variando a segunda área transversal de escoamento desde uma área transversal de escoamento inicial na zona de admissão de combustível até uma área transversal de escoamento diferente na zona de descarga de combustível, e uma secção (20) de saída de combustível tendo uma segunda entrada de combustível e uma segunda saída (22) de combustível afastada da segunda entrada de combustível, estando a secção de saída de combustível adaptada para transmitir, pelo menos, uma parte da corrente do combustível (12) que entra na segunda entrada de combustível e que sai da segunda saída (22) de combustível e tendo uma terceira área transversal de escoamento, sendo a terceira área transversal de escoamento sensivelmente uniforme ao longo da secção (20) de saída de combustível; e uma primeira conduta de oxidante tendo múltiplas secções de oxidante, estando cada secção de oxidante em comunicação fluida com a outra secção de oxidante e adaptada para transmitir uma corrente de um oxidante (24), incluindo uma secção de entrada de oxidante tendo uma entrada de oxidante e uma primeira saída de oxidante afastada da primeira entrada de oxidante, estando a secção de entrada de oxidante adaptada para transmitir uma corrente do oxidante (24) que entra na primeira entrada 3 PE 1627855 de oxidante e sai da primeira saída de oxidante e tendo uma quarta área transversal de escoamento, estando, pelo menos, uma parte da secção de entrada de oxidante colocada, de modo espaçado, em torno de, sensivelmente, toda, pelo menos, uma parte de, pelo menos, uma de entre a secção (16) de entrada de combustível, secção (18) transicional de combustível e secção (20) de saída de combustível, e uma secção (30) de saída de oxidante tendo uma zona de admissão de oxidante e uma zona de descarga de oxidante afastada da zona de admissão de oxidante, estando a secção (30) de saída de oxidante adaptada para transmitir, pelo menos, uma parte da corrente do oxidante que entra na zona de admissão de oxidante e sai da zona de descarga de oxidante e tendo uma quinta área transversal de escoamento, sendo a referida quinta área transversal de escoamento inferior ou igual à quarta área transversal de escoamento e sendo sensivelmente uniforme ao longo da secção de saída de oxidante, estando, pelo menos, uma parte da secção (30) de saída de oxidante colocada, de modo espaçado, em torno de, sensivelmente, toda, pelo menos, uma parte da secção (20) de saída de combustível.

2. Queimador como na reivindicação 1, compreendendo ainda: uma segunda conduta (40) de oxidante adjacente à primeira conduta de oxidante, tendo a segunda conduta (40) 4 PE 1627855 de oxidante uma segunda entrada de oxidante e uma segunda saída de oxidante afastada da segunda entrada de oxidante, estando a segunda conduta (40) de oxidante adaptada para transmitir outra corrente do oxidante ou uma corrente de outro oxidante que entra na segunda entrada de oxidante e sai da segunda saída de oxidante.

3. Queimador como na reivindicação 1, compreendendo ainda uma conduta de entrada de oxidante em forma de Y em comunicação fluida com a secção de entrada de oxidante e adaptada para introduzir a corrente do oxidante (24) na primeira entrada de oxidante da secção de entrada de oxidante.

4. Queimador como na reivindicação 1, compreendendo ainda, pelo menos, uma palheta (50) guia colocada na secção (18) transicional de combustível, em que a área transversal de escoamento inicial na zona de admissão de combustível da secção transicional de combustível é mais pequena do que a área transversal de escoamento diferente na zona de descarga de combustível da secção (18) transicional de combustível.

5. Queimador como na reivindicação 1, em que uma razão da quinta área transversal de escoamento da secção (30) de saída de oxidante versus a terceira área transversal de escoamento da secção (20) de saída é 5 PE1627855 inferior a uma razão molar do oxidante versus combustível exigida para uma combustão estequiométrica.

6. Queimador como na reivindicação 2, em que a outra corrente do oxidante ou a corrente do outro oxidante que sai da segunda saída de oxidante da segunda conduta (40) de oxidante está num local por baixo de uma chama formada por combustão da, pelo menos uma, parte da corrente do combustível (12) que sai da segunda saída de combustível da secção (20) de saída de combustível e da, pelo menos uma, parte da corrente do oxidante (24) que sai da zona de descarga de oxidante da secção (30) de saída de oxidante.

7. Queimador para efectuar a combustão de um combustível (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior, tendo o queimador um eixo longitudinal e incluindo uma ponta (140) de queimador tendo uma primeira borda alongada adjacente a um escoamento do combustível, e uma segunda borda alongada adjacente a um escoamento de um oxidante e formando um ângulo (a) de ponta primário inferior a cerca de 15° relativamente a uma linha paralela ao eixo longitudinal e interceptando uma superfície a montante paralela ao eixo longitudinal, 6 PE 1627855 formando a primeira borda alongada e a segunda borda alongada um ângulo (β) de ponta secundário maior do que o ângulo (a) de ponta primário e inferior a cerca de 90° relativamente a uma linha tangente a e estendendo-se desde a primeira borda alongada na direcção do escoamento do combustível (12) .

8. Queimador como na reivindicação 7, em que a segunda borda alongada compreende uma secção (147) cónica inicial formando o ângulo (a) de ponta primário, e uma secção (148) curva que termina na primeira borda alongada.

9. Forno para fusão de vidro, tendo o forno, pelo menos, um queimador como na reivindicação 1.

10. Método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante, compreendendo os seguintes passos: proporcionar uma fonte do combustível; proporcionar uma fonte de, pelo menos, um oxidante; proporcionar um queimador (10), como definido na reivindicação 1; 7 PE 1627855 transmitir a corrente do combustível (12) para a primeira entrada (16) de combustível, para que, pelo menos, uma parte da corrente do combustível (12) seja transmitida desde a primeira entrada (14) de combustível para a segunda saída (27) de combustível; transmitir a corrente do oxidante (24) para a primeira entrada de oxidante, para que, pelo menos, uma parte da corrente do oxidante (24) seja transmitida desde a primeira entrada de oxidante para a zona de descarga de oxidante; e efectuar a combustão de, pelo menos, uma parte do combustível (12) que sai da segunda saída (22) de combustível com, pelo menos, uma parte do oxidante (24) que sai da zona de descarga de oxidante.

11. Método como na reivindicação 10, compreendendo ainda os seguintes passos: proporcionar uma segunda conduta (40) de oxidante adjacente à primeira conduta de oxidante, tendo a segunda conduta (40) de oxidante uma segunda entrada de oxidante e uma segunda saída de oxidante afastada da segunda entrada de oxidante, estando a segunda conduta (40) de oxidante adaptada para transmitir outra corrente do oxidante ou uma corrente de outro oxidante que entra na segunda entrada de oxidante e sai da segunda saída de oxidante; PE 1627855 transmitir a outra corrente do oxidante ou a corrente do outro oxidante para a segunda entrada de oxidante, pelo que, pelo menos, uma parte da outra corrente do oxidante ou, pelo menos, uma parte do outro oxidante é transmitida desde a segunda entrada de oxidante para a segunda saida de oxidante; e efectuar a combustão de, pelo menos, outra parte do combustível (12) que sai da segunda saida (22) de combustível com, pelo menos, uma parte da outra corrente do oxidante ou, pelo menos, uma parte do outro oxidante que sai da segunda saida de oxidante.

12. Método como na reivindicação 10, compreendendo ainda os seguintes passos: proporcionar uma conduta de entrada de oxidante em forma de Y em comunicação fluida com a secção de entrada de oxidante e adaptada para introduzir a corrente do oxidante (24) na primeira entrada de oxidante da secção de entrada de oxidante; e introduzir, pelo menos, uma parte do oxidante na conduta de entrada de oxidante em forma de Y.

13. Método como na reivindicação 10, compreendendo ainda o passo de proporcionar, pelo menos, uma palheta (50) guia colocada na secção (18) transicional 9 PE 1627855 de combustível, em que a área transversal de escoamento inicial na zona de admissão de combustível da secção transicional de combustível é mais pequena do que a área transversal de escoamento diferente na zona de descarga de combustível da secção (18) transicional de combustível.

14. Método como na reivindicação 10, em que uma razão da quinta área transversal de escoamento da secção (30) de saída de oxidante versus a terceira área transversal de escoamento da secção (20) de saída de combustível é inferior a uma razão molar do oxidante versus combustível exigida para combustão estequiométrica.

15. Método como na reivindicação 11, em que a outra corrente do oxidante ou a corrente do outro oxidante que sai da segunda saída de oxidante da segunda conduta de oxidante está num local por baixo de uma chama formada por combustão da, pelo menos uma, parte da corrente do combustível (12) que sai da segunda saída (22) de combustível da secção (20) de saída de combustível e da, pelo menos uma, parte da corrente do oxidante (24) que sai da zona de descarga da secção (30) de saída de oxidante.

16. Método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 15, compreendendo os seguintes passos: proporcionar uma fonte do combustível; 10 PE 1627855 proporcionar uma fonte do oxidante; proporcionar um queimador (10) como definido na reivindicação 7; efectuar a combustão de, pelo menos, uma parte do combustível com, pelo menos, uma parte do oxidante num local adjacente à ponta (140) do queimador.

17. Método como na reivindicação 16, em que a segunda borda alongada compreende: uma secção (147) cónica inicial que forma o ângulo (a) de ponta primário, e uma secção (148) curva que termina na primeira borda alongada.

18. Processo para a fusão de vidro, incluindo o processo um método para efectuar a combustão de um combustível com um oxidante como na reivindicação 10. Lisboa, 10 de Fevereiro de 2009