PT809067E - Processo de reducao por recombustao dos oxidos de azoto contidos nos fumos emitidos por uma combustao primaria num forno e instalacao para a sua realizacao - Google Patents
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Description
SO^OGPV
DESCRIÇÃO
t "PROCESSO DE REDUÇÃO, POR RECOMBUSTÃO DOS ÓXIDOS DE AZOTO CONTIDOS NOS FUMOS EMITIDOS POR UMA COMBUSTÃO PRIMÁRIA NUM FORNO, E INSTALAÇÃO PARA A SUA REALIZAÇÃO" A presente invenção refere-se a um processo de redução por recombustão, dos óxidos de azoto contidos nos fumos emitidos por uma combustão primária produzidos num forno, assim como a uma instalação para a realização deste processo. É sabido que a combustão de combustíveis de qualquer natureza está na origem da produção de óxidos de azoto por reacção com o ar, em quantidade mais ou menos importante de acordo com o tipo de combustível e as condições da combustão. Estes óxidos de azoto emitidos para a atmosfera são a causa de diversas poluições. Eles contribuem sobretudo para a formação de chuvas ácidas. Além disso, combinados com o monóxido de carbono e os compostos orgânicos voláteis presentes na atmosfera, eles produzem ozono troposférico que está na origem do aumento das afecções respiratórias (asma, insuficiência respiratória, etc.). É portanto importante reduzir ou eliminar estes óxidos de azoto.
Com este fim, conhece-se um processo dito de recombustão ou de sobrecombustão redutora.
Este processo consiste em injectar um hidrocarboneto de acordo com condições operatórias muito precisas, a jusante de uma primeira combustão no decurso da qual os óxidos de azoto são produzidos. A injecçâo deste hidrocarboneto tem por fim criar uma atmosfera redutora que tem por consequência, quando 1
a temperatura é suficientemente elevada (geralmente superior a 1000°C), dividir os componentes de hidrocarboneto e produzir radicais (CH°, H0,..) que vão combinar-se com o monóxido de azoto e os outros precursores dos óxidos de azoto emitidos da combustão principal (primeira combustão) por transformações químicas complexas para formar azoto molecular e oxigénio. A zona na qual a injecção deste hidrocarboneto é efectuada é chamada a zona de recombustão ou de sobrecombustão redutora.
Os inqueimados formados na zona de sobrecombustão redutora são em seguida oxidados numa terceira fase dita de pós-combustão. 0 hidrocarboneto que vai fornecer os radicais necessários à destruição dos óxidos de azoto, é assim utilizado quer como agente reactivo de despoluição quer como fonte de energia. 0 processo de recombustão compreende portanto três fases: uma primeira fase dita de combustão principal ou primária efectuada numa primeira zona de um forno de combustão, dita zona de combustão principal ou primária. Esta fase corresponde à fase propriamente dita de combustão de combustíveis, fase no decurso da qual se formam os óxidos de azoto e que são arrastados pelos fumos; uma segunda fase dita de recombustão ou de sobrecombustão redutora efectuada numa segunda zona, dita zona de recombustão ou de sobrecombustão redutora, do próprio forno de combustão.
Nesta fase, um combustível dito combustível secundário é injectado na zona de recombustão para reduzir os óxidos de azoto contidos nos fumos emitidos da combustão principal; e uma terceira fase dita de pós-combustão efectuada numa terceira zona do forno de combustão a jusante 2 ρ Lz ^^ da zona de recombustão, que consiste em injectar ar nesta terceira zona para acabar a combustão. A eficácia de um processo de recombustão depende de numerosos factores por exemplo a temperatura, o tempo de estadia na zona de recombustão, a natureza e o modo de injecção do hidrocarboneto, a quantidade de hidrocarboneto injectado, a taxa de óxidos de azoto inicial, etc.
Mas, o processo de recombustão da técnica anterior acima descrito permite apenas atingir taxas de eficácia da redução de óxidos de azoto da ordem de 50 a 60%. A taxa de eficácia da redução de óxidos de azoto corresponde à relação entre o número de moles de azoto destruídos pela recombustão/número de moles de azoto antes da recombustão.
Ora, os estudos teóricos de cinética mostram que se a mistura do combustível introduzido na zona de recombustão e de fumos emitidos na zona de combustão principal fosse perfeitamente homogénea poderia atingir uma eficácia de redução de óxidos de azoto próxima de 90%. A presente invenção tem por objecto atenuar os inconvenientes anteriores permitindo assegurar uma melhor penetração e repartição do combustível na zona de recombustão e assim obter taxas de redução de óxidos de azoto satisfatórias mesmo quando as dimensões do forno não permitiam uma boa mistura do combustível e dos fumos, como no processo da técnica anterior.
Estes objectivos são atingidos pela invenção que propõe um processo de redução de óxidos de azoto contidos nos fumos emitidos numa combustão primária, num forno, pela recombustão dos referidos fumos caracterizado pela injecção de combustível na zona de recombustão do referido forno segundo pelo menos dois jactos associados à pressão relativamente alta e relativamente baixa respectivamente de forma a que o jacto a 3
V
alta pressão arraste uma parte do combustível injectado a baixa pressão.
Mais precisamente neste processo de combustão o jacto a baixa pressão é exteriormente concêntrico com o jacto de combustível a pressão mais elevada.
De preferência, de acordo com a invenção o combustível é um gás a uma pressão compreendida entre alguns milibares e algumas centenas de milibares para o jacto a baixa pressão e entre algumas centenas de milibar e alguns bares para o jacto a alta pressão.
Igualmente de acordo com a invenção, a pressão e os débitos de gás dos dois jactos acima citados são comandados de forma a se adaptarem às dimensões da zona de recombustão e às características dos fumos.
Além disso, a zona de recombustão do forno é submetida a ondas acústicas.
De preferência, as ondas acústicas citadas têm uma frequência inferior a cerca de 20 Hz. A invenção propõe igualmente uma instalação para a realização do processo acima descrito compreendendo um forno equipado com uma zona de combustão primária alimentada por uma combustão principal e seguida de uma zona de recombustão alimentada por um combustível secundário, caracterizado por a referida zona de recombustão estar munida de pelo menos duas entradas de combustível secundário a uma pressão relativamente baixa respectivamente de forma a que o jacto a alta pressão arraste uma parte do combustível injectado a baixa pressão.
Mais precisamente, as duas entradas acima mencionadas são coaxiais. 4 j Ll —ξ»
De acordo com a invenção, as duas entradas acima mencionadas são respectivamente munidas com um aparelho de comando do débito e da pressão do combustível secundário que forma os dois jactos acima citados.
Além disso, a instalação de acordo com a invenção tem um gerador de ondas acústicas montado na parede do forno de forma a poder homogeneizar a mistura na zona de recombustão. A invenção será melhor compreendida e outros fins, características, pormenores e vantagens desta aparecerão mais explícitas no decurso da descrição explicativa que se segue e que é feita em referência ao único desenho em anexo que representa um modo de realização preferido de um forno no qual se efectua o conjunto das operações acima descritas de combustão principal, recombustão e pós-combustão.
Um dos problemas encontrados na realização do processo de recombustão da técnica anterior reside na mistura do combustível (gás natural ou qualquer outro hidrocarboneto utilizado) com os fumos contendo os óxidos de azoto emitidos na zona de combustão e que atingem a zona de recombustão. Com efeito, uma boa homogeneização do combustível e dos fumos, na zona de recombustão é indispensável do ponto de vista da temperatura e das trocas mássicas. Com efeito se existirem zonas de escoamentos onde os radicais (CH°, etc...) não sejam produzidos e difundidos, não haverá lugar a nenhuma destruição dos óxidos de azoto nestas zonas.
De igual modo, é necessário que em todo o ponto da mistura a temperatura seja suficiente para dividir os radicais que vão reagir com os óxidos de azoto para dar azoto molecular e oxigénio.
Além disso é crucial que o hidrocarboneto utilizado seja o mais rapidamente possível dispersado e dividido. Caso contrário, o hidrocarboneto (combustível) vai queimar com o 5
V p U, ^ oxigénio residual dos fumos emitidos da combustão principal e, criar óxidos de azoto o que é contrário ao fim em vista. A homogeneização da mistura depende muito das dimensões do forno e do facto do volume de combustível injectado apenas representar cerca de 1% do volume dos fumos da combustão principal.
Além disso, a homogeneização da mistura do combustível e dos fumos é frequentemente limitada pelo tempo de estadia da mistura combustível-fumos na zona de recombustão. Com efeito, este tempo de estadia é limitado pelas dimensões do forno que são frequentemente limitadas em altura. A título de exemplo, um forno de combustão para a realização do processo de redução de óxidos de azoto de acordo com a invenção é ilustrado na figura 1. Este forno compreende as três zonas de combustão acima citadas quer dizer uma primeira zona A de combustão principal, uma segunda zona B de recombustão e uma terceira zona C de pós-combustâo. Acima da zona de pós- combustão, existe uma zona D de arrefecimento de gás. A zona de combustão principal A compreende orifícios de alimentação 3 de uma mistura de um combustível dito de combustível primário e de ar. A combustão primária pode ser de qualquer natureza: carvão, "fuel-óleo", resíduos, madeira, gás natural, etc.
De preferência na invenção, o combustível primário será o gás natural. A taxa de arejamento desta zona de combustão principal quer dizer, a relação entre o volume de ar real da combustão e o ar de combustão teórica (combustão estequiométrica) varia geralmente no intervalo de 1,05 a 1,1.
Os óxidos de azoto contidos nos fumos emitidos nesta combustão primária são em seguida reduzidos na zona B de 6 f recombustão ou de sobrecombustão redutora. A redução dos óxidos de azoto é realizada graças à injecção de um combustível dito combustível secundário pela alimentação designada por 2 na figura 1. De preferência, o combustível secundário é injectado pela entrada 2 num volume representando 10 a 20% do volume do combustível primário, a fim de obter uma taxa de arejamento próxima de 0,9 na zona B.
Deste modo, a atmosfera redutora (com falta de oxigénio) pretendida é criada na zona de recombustão. 0 combustível secundário utilizado para a recombustão injectado na zona redutora B, pode, como o combustível primário, ser de qualquer natureza: carvão, "fuel-óleo", resíduos, madeira, gás natural, etc. Contudo, de acordo com a invenção, o gás natural é de preferência o utilizado. A fase de oxidação dos inqueimados é designada por fase de pós-combustão, e é efectuada em seguida. A fase de pós-combustão é realizada graças à introdução, pela entrada designada por 1 na figura 1, de ar para acabar a combustão.
Para ser eficaz, a injecção do combustível secundário, de preferência o gás natural, na zona de recombustão B deve fazer-se numa gama de temperaturas compreendida entre 1100 e 1500°C e ela deve ser realizada a um débito e a uma pressão correspondente a um tempo de estadia suficiente na zona de recombustão para permitir uma homogeneização das misturas combustível-fumos satisfatória assim como para permitir a produção das reacções de redução. O tempo de estadia deve geralmente ser da ordem de 0,5 a 1 segundo de acordo com as condições operatórias. A temperatura de redução para a fase de recombustão, na zona de recombustão B, pode ser baixada para cerca de 1000°C mas é necessário então aumentar o tempo de estadia. 7
Li ^
Se a elevação da temperatura aumenta a eficácia da destruição dos precursores dos óxidos de azoto na zona de recombustão, há contudo um risco neste caso de produzir óxidos de azoto ao nível da injecção de ar na zona de pós-combustão acima de uma certa temperatura.
Deve portanto ser encontrado um equilíbrio entre os parâmetros de tempo de estadia-temperatura, a fim de obter-se uma homogeneização satisfatória entre o combustível secundário utilizado na zona B de recombustão e os fumos emitidos na zona A de combustão primária ou principal contendo os óxidos de azoto a reduzir.
De facto o combustível secundário comporta-se como um jacto num fluxo transversal e a homogeneização de uma mistura de um jacto (combustível secundário) num fluxo transversal (fumos emitidos da combustão primária) é submetida a condições antagónicas, tanto mais difíceis quanto o débito volúmico do jacto sobre a parede for baixo em comparação com o fluxo transversal principal.
Este é o caso no processo de recombustão em que o volume de combustível, de preferência o gás natural, injectado representa 1% e por vezes menos do débito dos fumos. A fim de melhorar a homogeneização, a presente invenção consiste em injectar o combustível secundário, de preferência o gás natural, por intermédio de um sistema com várias impulsões. Mais particularmente, na instalação representada na figura í, o combustível secundário é injectado por um sistema com dupla impulsão na zona de recombustão. A injecção com dupla impulsão de acordo com a invenção possui dois circuitos 2, 2' de alimentação de gás, um circuito de alimentação a baixa pressão 2, regulado e controlado por qualquer meio apropriado com a referência 4 na figura 1, e um circuito de alimentação de gás a alta pressão 2' regulado e 8 controlado por qualquer meio apropriado com a referência 5 na figura 1. A dupla impulsão permite melhorar a penetração do jacto de combustível secundário até ao centro do forno e igualmente repartir este combustível no conjunto da câmara do forno. O jacto central a alta pressão arrasta igualmente uma parte do combustível injectado a baixa pressão, o que melhora igualmente a sua mistura. Esta dupla impulsão de combustível gasoso pode ser muito facilmente regulada, as variações de débito e de pressões do combustível gasoso são muito fáceis de realizar para optimizar a mistura, quer dizer de forma a adaptar-se às dimensões da zona de recombustão, às características dos fumos, e às taxas de redução pretendidas.
No modo de realização representado na figura 1, as duas entradas 2, 2' do combustível secundário são coaxiais e a entrada do combustível a baixa pressão é exteriormente concêntrica com a entrada do combustível a alta pressão. A utilização de um tal sistema de injecção de dupla impulsão permite obter uma redução dos óxidos de azoto contidos nos fumos emitidos da combustão primária da ordem de 70 a 80%, em moles, enquanto que com o processo e o dispositivo da técnica anterior não compreendendo nem esta fase de injecção com dupla impulsão do combustível secundário e nem o sistema de injecção do combustível secundário com várias impulsões, as taxas de redução dos NOx são na ordem de 50 a 80%, em moles. A invenção é portanto particularmente vantajosa no caso em que as dimensões do forno não permitam uma boa mistura do combustível nos fumos, em particular. A invenção permite igualmente, melhorando a mistura, reduzir as quantidades de combustível secundário a injectar para obter uma determinada taxa de redução de óxidos de azoto. ij ' L·. ^
Isto é particularmente vantajoso, por exemplo, no caso de uma caldeira em que o combustível primário é o carvão e o combustível secundário ou de recombustão é o gás natural.
Actualmente num processo de recombustão as taxas de redução de azoto obtidas são da ordem de 50 a 60% em moles, substituindo, pelo carvão, 20% em eficácia energética em gás natural.
Com a utilização do processo e/ou da instalação da invenção, pode obter-se esta mesma taxa de redução com apenas 10 a 15% do valor energético de gás natural injectado, o que representa uma vantagem económica. A fim de melhorar ainda a mistura, em particular nas zonas próximas das paredes do reactor, e igualmente entre as camadas do jacto a alta pressão e do jacto a baixa pressão do combustível secundário gasoso, é montado um gerador de infra-sons com o número 6 na figura 1 em anexo sobre uma das paredes do forno de combustão ao nível da zona B de recombustão.
Com a adição deste gerador de infra-sons, a taxa de redução de óxidos de azoto contidos, nos fumos emitidos da combustão primária, é geralmente superior a 80%, mais precisamente no intervalo de cerca de 80 a cerca de 90%, em moles. O processo de redução dos óxidos de azoto pela recombustão de fumos emitidos de uma combustão primária, de acordo com a invenção, permite portanto atingir uma eficácia de redução de NO* da ordem de 70 a 80% realizando a injecção do combustível secundário, de preferência o gás natural, na zona de recombustão, segundo pelo menos dois jactos associados a pressão relativamente alta e relativamente baixa respectivamente de forma que o jacto a alta pressão arraste uma parte do combustível injectado a baixa pressão.
Neste processo, o jacto do combustível a baixa pressão é exteriormente concêntrico com o jacto de combustível a pressão 10 V ^^
mais elevada, o que permite melhorar a penetração do combustível secundário até ao centro do forno graças ao jacto a alta pressão e igualmente repartir os gases no conjunto da câmara. 0 jacto central a alta pressão arrasta igualmente uma parte do gás injectado a mais baixa pressão, a mistura do combustível secundário gasoso com os fumos da combustão primária contendo o óxido de azoto a reduzir é assim melhorada.
Associando a esta injecção do combustível secundário, na zona de recombustão, segundo pelo menos dois jactos associados, concêntricos, a pressão relativamente alta e a pressão relativamente baixa respectivamente, sendo o jacto exteriormente concêntrico ao jacto combustível a pressão mais elevada, uma produção de ondas acústicas na zona de recombustão, a eficácia do processo da invenção atinge aproximadamente 80 a 90%.
De preferência, o combustível gasoso é injectado pelo jacto a baixa pressão a uma pressão compreendida entre alguns milibares e algumas centenas de milibares e para o jacto a alta pressão, entre algumas centenas de milibares e alguns bares.
As ondas acústicas utilizadas têm uma frequência inferior a cerca de 20 Hz.
Quando as condições regulamentares não necessitam atingir uma redução tão importante como a citada anteriormente, a utilização de injecção com impulsão múltipla e a produção de infra-sons no processo de recombustão de óxidos de azoto permite atingir taxas de eficácia de redução de NOx da ordem de 50% mas utilizando menos combustível. Por exemplo, a redução da quantidade de combustível secundário é da ordem de 50% em volume, o que permite reduzir o custo do processo.
Deve ser entendido que a invenção não é limitada aos modos de realização descritos e ilustrados que apenas são dados a título de exemplo. 11
Assim, ainda que se tenha descrito um processo e um dispositivo compreendendo uma injecção com dupla impulsão, poderão ser utilizados dispositivos e processos utilizando uma injecção com impulsão múltipla de combustível secundário na zona de recombustão. Assim pode ser utilizada uma injecção com tripla impulsão do combustível secundário, na qual o combustível gasoso será injectado segundo dois jactos a alta pressão concêntricos um com o outro e um jacto a baixa pressão concentricamente exterior aos dois jactos a alta pressão.
Lisboa, 28 de Novembro de 2000 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAS.
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Claims (10)
- REIVINDICAÇÕES Γ i . L·—οt 1. Processo de redução dos óxidos de azoto contidos nos fumos emitidos por uma combustão primária, num forno, por meio de recombustão dos referidos fumos, caracterizado por se efectuar uma injecção de um combustível secundário na zona de recombustão do referido forno segundo pelo menos dois jactos associados à pressão relativamente elevada e relativamente baixa respectivamente de modo a que o jacto de alta pressão arraste uma parte do combustível injectado a baixa pressão.
- 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o jacto de combustível de baixa pressão ser exteriormente concêntrico com o jacto de combustível de pressão mais elevada.
- 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o combustível ser um gás a uma pressão compreendida entre alguns milibares e algumas centenas de milibares para o jacto de baixa pressão e entre algumas centenas de milibares e alguns bares para o jacto de alta pressão.
- 4. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a pressão e os débitos de gás dos dois jactos acima descritos serem comandados de forma a adaptarem-se às dimensões da zona de recombustão e às características dos fumos.
- 5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a zona de recombustão do forno ser submetida a ondas acústicas. 1
- 6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por as ondas acústicas acima citadas terem uma frequência inferior a cerca de 20 Hz.
- 7. Instalação para a realização do processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, compreendendo um forno que compreende uma zona de combustão primária (A) alimentada por um combustível principal e seguida por uma zona de recombustão (B) alimentada por um combustível secundário, caracterizada por a referida zona de recombustão estar munida de pelo menos duas entradas (2, 2' ) de combustível secundário a uma pressão relativamente alta e a uma pressão relativamente baixa respectivamente de forma a que o jacto a alta pressão arraste uma parte do combustível injectado a baixa pressão.
- 8. Instalação de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por as duas entradas (2, 2’ ) acima mencionadas serem coaxiais.
- 9. Instalação de acordo com a reivindicação 7 ou a reivindicação 8, caracterizada por as duas entradas acima mencionadas serem respectivamente munidas de um aparelho de comando do débito e da pressão (4, 5) do combustível secundário que forma os dois jactos acima mencionados.
- 10. Instalação de acordo com qualquer das reivindicações 7 a 9, caracterizada por ser montado um gerador de ondas acústicas (6) sobre a parede do forno de forma a poder homogeneizar a mistura na zona de recombustão. Lisboa, 28 de Novembro de 2000 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL2
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