PT683357E

PT683357E - Metodo para trabalhar com um forno

Info

Publication number: PT683357E
Application number: PT95107552T
Authority: PT
Inventors: William Joseph Snyder
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-05-18
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 2000-06-30
Also published as: DE69515207D1; US5683238A; KR950031945A; EP0683357A2; KR100219746B1; CA2149554A1; JPH0842813A; EP0683357B1; CN1120969A; BR9502060A; CA2149554C; ES2142969T3; CN1131722C; DE69515207T2; EP0683357A3

Description

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DESCRIÇÃO é '1' "MÉTODO PARA TRABALHAR COM UM FORNO"

Domínio técnico

Este invento refere-se na generalidade a um método para trabalhar com fornos de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, e mais particularmente à redução de óxidos de azoto (NOx) emitidos pelo forno.

Arte precedente

Muitos processos industriais empregam fomos em que 0 combustível e 0 oxidante entram em combustão para gerar calor, que é usado para aquecer uma carga no fomo. Entre tais processos industriais pode-se referir 0 fabrico de vidro em que a carga são os materiais necessários ao fabrico do vidro, ou vidro fundido ou sólido, o fabrico do aço em que a carga é o aço ou 0 ferro e a fusão de alumínio em que a carga são os lingotes ou sucata de alumínio.

Os óxidos de azoto são um poluente significativo gerado durante a combustão e é desejável reduzir a sua formação ao desenvolver-se a combustão. Sabe-se que a combustão pode ser efectuada gerando reduzido NOx, usando oxigénio tecnicamente puro ou ar enriquecido com oxigénio como oxidante, uma vez que isto reduz a quantidade de azoto que é fornecido à reacção de combustão numa base de oxigénio equivalente. Contudo, 0 uso de um oxidante possuindo uma superior concentração de oxigénio em relação à do ar provoca que a reacção de combustão se dê a uma temperatura superior e esta temperatura superior favorece cineticamente a formação de NOx.

Sabe-se que diferentes queimadores e sistemas de queima, em operação, gerarão NOx com diferentes velocidades. Por exemplo, sendo tudo 0 resto igual, uma 2 2

combustão usando uma disposição de queimador concêntrico resultará geralmente numa maior formação de NOx do que a combustão usando um queimador com uma disposição por plataformas.

De acordo com isto, num forno que empregue uma pluralidade de queimadores, podem-se reduzir as emissões de NOx do forno substituindo um ou mais dos queimadores de alto NOx por queimadores de baixo NOx. Contudo, tal conversão é onerosa e é desejável que se reduza o número de queimadores num forno de multiqueimadores que tenham que ser convertidos de alto NOx para baixo NOx. A patente US-A-4 117 075 que constitui o preâmbulo da reivindicação 1 descreve um método para trabalhar com um queimador usando combustão auxiliar, em que um queimador frontal e intermédio efectuam uma combustão completa usando primeiro combustível e ar como oxidante, enquanto que o último queimador a jusante efectua uma combustão adicional do produto de combustão que emana dos queimadores a montante frontal e intermédio usando combustível redutor, p.e. monóxido de carbono ou hidrogénio, de modo a reduzir o teor de NOx do gás de exaustão. É objecto deste invento proporcionar um método para trabalhar com um fomo que possa minimizar o número de queimadores de baixo NOx usado para qualquer alvo particular do nível das emissões de NOx do fomo.

Resumo do invento O objecto anterior e outros objectos, que serão evidentes para os peritos na matéria por leitura desta descrição, são conseguidos por: um método para trabalhar com um fomo para'reduzir o nível de NOx emitido da chaminé do forno, tal como definido na reivindicação 1.

Tal como aqui usado o termo “chaminé” significa uma passagem capaz de fazer passar os gases do fomo para fora do fomo, geralmente para a atmosfera ambiente.

Tal como aqui usado o termo “valor de equilíbrio” significa a concentração de óxido nítrico mais dióxido de azoto que resultaria se a concentração de azoto e oxigénio nos produtos de combustão do forno fossem mantidos à temperatura dos gases do forno durante um período de tempo infinito. Os peritos na matéria estão familiarizados sobre o modo como calcular os valores de equilíbrio usando constantes de equilíbrio publicadas.

Tal como aqui usado o termo “queimador de alto NOx” significa um queimador que efectua uma reacção de combustão em que o NOx é gerado acima do valor de equilíbrio. Exemplos de queimadores de alto Nox podem ser encontrados nas patentes U.S. N° 5,267,850 e U.S. N° 5,256,058.

Tal como aqui usado o termo “queimador de baixo NOx” significa um queimador que efectua uma reacção de combustão em que o NOx é gerado abaixo do de um queimador de alto NOx e que pode ser gerado abaixo do valor de equilíbrio. Exemplos de queimadores de baixo NOx podem ser encontrados nas patentes U.S. N° 4,378,205, U.S. N° 4,907,961 e U.s N° 5,209,656.

Tal como aqui usado os termos “óxidos de azoto” e “NOx” significam a soma de óxido nítrico (NO) e dióxido de azoto (N02).

Breve descrição dos desenhos A única Figura é uma representação em planta simplificada de um fomo que pode ser usado na prática do invento.

Descrição detalhada

Este invento compreende o reconhecimento de que o nível de NOx gerado numa reacção de combustão não é estático num fomo, mas é antes dinâmico no fomo e, para além disso, que a condição não estática vai em direcção ao valor de equilíbrio. Quanto mais tempo os gases da reacção de combustão de uma reacção de combustão permanecem num fomo, mais próximo do valor de equilíbrio chegarão antes de sair do forno através da chaminé. A velocidade a que os gases se aproximam do valor de 4

equilíbrio depende da temperatura do forno. O invento atinge os melhores resultados quando a temperatura do forno excede 1482 °C (2700°F).

Num forno de múltiplos queimadores o nível de NOx emitido na chaminé pode ser desproporcionalmente reduzido com a prática do invento em relação à que é conseguida com a mera substituição de um ou mais queimadores de alto NOx por queimadores de baixo NOx. Se um queimador de baixo NOx é posicionado num forno a uma distância significativa da chaminé e se gera valores de NOx abaixo do valor de equilíbrio, os gases do forno que resultam da combustão terão um longo tempo de residência no forno à medida que prosseguem através da chaminé, e este longo tempo de residência resultará num aumento do nível de NOx uma vez que o nível de NOx abaixo do valor de equilíbrio gerado na combustão progride dinamicamente para o valor de equilíbrio. Além disso, se um queimador de alto NOx é posicionado no forno perto da chaminé, os gases do forno que resultam da combustão terão um curto tempo de residência no forno o que não permitirá uma redução significativa do NOx. Contudo, se um queimador de alto NOx é posicionado no forno a uma distância significativa da chaminé, os gases do forno que resultam da combustão terão um longo tempo de residência no forno à medida que prosseguem na chaminé e este longo tempo de residência resultará numa diminuição do nível de NOx uma vez que o nível de NOx acima do valor de equilíbrio gerado na combustão progride dinamicamente para o valor de equilíbrio. A progressão dinâmica, quer um aumento ou uma diminuição, para o valor de equilíbrio não continua apreciavelmente fora da zona do forno porque são as condições do forno de calor, fluxo do fluido e concentrações dos reagentes que provocam que a progressão dinâmica para o equilíbrio ocorra. O combustível usado na prática deste invento pode ser qualquer gás ou outro combustível que contenha combustíveis que podem provocar a combustão num forno ou numa zona de combustão. Entre tais combustíveis pode-se mencionar o gás natural, gás de forno de coque, propano, metano, petróleo e carvão pulverizado. 5 5

0 oxidante útil na prática deste invento é qualquer fluido contende^ oxigénio suficiente para fazer a combustão com o combustível num forno ou numa zona de combustão. O oxidante pode ser o ar. Preferencialmente o oxidante é um fluido possuindo uma concentração de oxigénio de pelo menos 30 por cento em volume de oxigénio, mais preferencialmente pelo menos 90 por cento em volume de oxigénio. O oxidante pode ser oxigénio tecnicamente puro possuindo uma concentração de oxigénio de 99,5 por cento ou mais. O forno que pode ser usado na prática deste invento é geralmente um forno industrial. O invento terá uma utilidade particular na operação de um forno de fabrico de papel devido às elevadas temperaturas envolvidas. O forno inclui entradas de queimador em que um queimador pode ser regulado e em que alguma ou toda a combustão se pode efectuar. O invento será descrito em maior detalhe com referência à Figura e ao exemplo seguinte e ao exemplo comparativo . O exemplo é apresentado com fins ilustrativos e não se pretende que seja limitativo.

Referindo-nos agora à Figura, é mostrado numa forma simplificada um forno de vidro 32 em que o material para o fabrico do vidro é feito passar para o forno através das entradas de carga 30 e 31. Os materiais para fabrico do vidro passam através do forno, da esquerda para a direita, tal como indicado pelas setas de fluxo do vidro e ao fazerem isso são fundidas pelo calor da combustão efectuada pelos queimadores 1-20 que são mostrados de forma representativa pelas setas. O vidro fundido passa para fora do forno através da passagem 33. Os gases da reacção de combustão fluem por cima dos materiais de fabrico do vidro na direcção oposta, tal como indicado pela seta do fluxo do gás e para fora do forno 32 através da chaminé 34.

Um forno semelhante ao ilustrado na Figura trabalhou com todos os vinte queimadores sendo queimadores de alto NOx do tipo ilustrado na patente U.S. N° 5,267,850. O combustível usado era o gás natural e o oxidante usado era um fluido

compreendendo 93 por cento em moles de oxigénio. Os queimadores geraram NOx com uma quantidade de 0,129 kg/GJ (0,30 lb/milhão BTU). O valor de equilíbrio do NOx gerado foi de 0,090 kg/GJ (0,21 lb/milhão BTU). As emissões de NOx foram medidas na saída e verificou-se que eram 0,715 kg NOx/t (1,43 Ib NOx/ton) de vidro.

Os queimadores 1-12 foram alterados para queimadores de baixo NOx usando gás natural como combustível e um fluido contendo 93 por cento em moles de oxigénio como oxidante e o forno foi novamente operado para produzir vidro fundido. Os queimadores de baixo NOx foram operados pelo modo descrito na série U.S. N° 153,505 apresentado em 17 de Novembro, 1993 e gerando NOx com uma quantidade de 0,0228 kg/GJ (0,067 lb/milhão BTU). Com base em resultados de laboratório a partir da operação de dois diferentes queimadores, esperava-se que a substituição de 12 dos 20 queimadores de alto NOx por queimadores de baixo NOx reduzisse as emissões de NOx na chaminé em 45 por cento. Contudo, quando o invento foi realmente realizado, as emissões de NOx medidas na chaminé foram apenas 0,25 kg NOx/t (0,5 lb NOx/ton) de vidro, uma redução de 65 por cento.

Até agora tem sido prática convencional empregar um único tipo de queimador em todo o forno de multiqueimadores. Se as condições requeriam uma mudança de queimador, tipicamente todos os queimadores eram modificados. O invento emprega uma disposição não convencional em que são usados dois tipos de queimadores diferentes num forno de multiqueimadores. Para além disso, com a prática deste invento, pode-se obter um maior grau de redução do NOx para qualquer nível de conversão de queimadores de alto NOx para baixo NOx operando com um forno de multiqueimadores do que o que seria possível de outro modo. Embora o invento tenha sido descrito em detalhe com referência a uma certa concretização preferida, os peritos na matéria saberão ver que há outras concretizações do invento que estão no domínio das reivindicações.

Lisboa, 1 h MAR. 2000

Claims

REIVIND ICA ÇÕES 1. Método para trabalhar com um forno para reduzir o nível de NOx emitido na chaminé do forno compreendendo: (A) a combustão de um combustível e de um oxidante numa primeira reacção de combustão em que o NOx é gerado no forno; (B) a combustão de um combustível e de um oxidante numa segunda reacção de combustão em que o NOx é gerado no forno com um valor inferior ao da primeira reacção de combustão, com a referida segunda reacção de combustão ocorrendo mais perto da chaminé do que na primeira reacção de combustão; (C) a passagem do NOx gerado nas primeira e segunda reacções de combustão para fora do fomo através da chaminé; caracterizado por o NOx ser gerado numa primeira reacção de combustão com um valor que excede a concentração de NOx que resultaria se as concentrações de azoto e de oxigénio nos produtos de combustão do forno fossem mantidos à temperatura do gás do fomo durante um período de tempo infinito e o NOx é gerado na segunda reacção de combustão com um valor inferior à concentração de NOx que resultaria sè as concentrações de azoto e de oxigénio nos produtos de combustão do fomo fossem mantidos à temperatura do gás do fomo durante um período de tempo infinito.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que é efectuada uma pluralidade de primeiras reacções.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, em que é efectuada uma pluralidade de segundas reacções.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, em que é efectuada uma pluralidade de primeiras reacções e uma pluralidade de segundas reacções.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, em que todas as segundas reacções ocorrem mais perto da chaminé do que qualquer uma das primeiras reacções.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o forno é um forno para o fabrico de vidro.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a temperatura no forno excede 1482 °C (2700 °F); ..SiiOA

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Maria Silvina Ferreira