PT90625B

PT90625B - Sistema de combustao turbulenta termicamente

Info

Publication number: PT90625B
Application number: PT90625A
Authority: PT
Inventors: William Gerard Collins Jr
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1988-05-23
Filing date: 1989-05-22
Publication date: 1994-10-31
Also published as: NL8901153A; JPH0225619A; US4817565A; KR890017494A; PT90625A; ES2013927A6

Description

WESTINGHOUSE ELECTRIC . CORPORATI ΟΝ

SISTEMA DE COMBUSTÃO TURBULENTA TERMICAMENTE

A presente invenção diz respeito a um sistema de combus^ tão turbulenta termicamente, para a combustão de combustíveis sólidos e, mais particularmente, a um sistema de combustão que funciona com escoamento turbulento dos gases provocado por convexão térmica que é capaz de queimar uma ampla variedade de com bustíveis sólidos, incluindo lixos municipais.

Os sistemas de combustão que utilizam combustíveis sólj dos são conhecidos hã muito tempo. Por exemplo, têm sido utilizados numerosos tipos de queimadores para materiais residuais sólidos, para destruir os lixos municipais. Tipos úteis de sistemas de combustão deste género estão descritos nas patentes de inyenção norte-araericanas 3 822 651 e 4 066 024, Estes tipos de sistemas de combustão utilizara uma caldeira ou tambor rotativo que e formado por um certo numero de tubos que se estendem longitudinaImente e formam uma superfície interior cilíndrica. Os tubos estão adaptados para o escoamento de ãgua através dos me£ mos para arrefecer as paredes da caldeira e produzir vapor. Faz. -se a carga de ar para a caldeira através de meios variados e os gases da combustão passam da unidade para um vaporizador para a produção ulterior do vapor de ãgua. Estes tipos de sistemas de combustão têm-se mostrado muito úteis para destruir resí duos, proporeionando ao mesmo tempo um rendimento mediante a produção de vapor de ãgua e energia eléctrica.

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Alguns dos sis temas de combustão conhecidos exegem algum tipo de agitação forçada dos gases de combustão e do ar para conseguir obter a mistura necessária para a combustão cornpl^ ta. Estes sistemas exigem uma concepção e um funcionamento cuidados e muitas vezes funcionara satisfatoriamente apenas dentro de uma gama reiativamente apertada de condições.

Embora tais sistemas se tenham mostrado úteis no proce£ sarnento de combustíveis sólidos tais como os lixos municipais, continua a existir a necessidade de ura sistema de combustão su£ ceptível de funcionar numa larga gama de condições e que propor cione a combustão completa do combustível, matendo-se no entanto de funcionamento relativamente simples, eficiente e económico.

Um objecto da presente invenção consiste em proporcionar ura sistema de combustão turbulenta termicamente que permita a combustão completa de combustíveis sólidos, que funcione com uma mistura eficiente numa ampla gama de condições de funcionamento, mantendo-se o seu funcionamento relativamente simples e económico.

Um outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar um sistema de combustão turbulento termicamente para queimar uma ampla variedade de combustíveis sólidos, tais como lixos municipais, que forneça vapor de ãgua ou outra energia térmica para utilização como fonte de energia.

A presente invenção atinge os objectivos- atrãs referi-3

-ζ dos proporcionando ura sistema de combustão turbulenta termicamente para a combustão de combustíveis sólidos que inclui uma câmara de combustão fixa, na generalidade cilíndrica e estender^ do-se 1ongitudinalmente, formada por vários tubos de refrigeração circulares interligados. A câmara tem uma extremidade de e£ trada, uma extremidade de saída, uma parte superior e paredes laterais. Na extremidade de entrada proporeiona-se uma abertura de alimentação do combustível, a qual pode fechar-se por meio de uma porta arrefecida por agua. Proporcionam-se meios de transporte do combustível, por exemplo meios transportadores do tipo de grelha, junto do fundo da câmara, ao longo do seu comprimento, para transportar combustível ao longo da mesma num trajecto paralelo ao eixo longitudinal da câmara, 0 sistema inclui além disso meios para fornecer ar de combustão ã câmara, A largura da câmara e maior do que a largura do trajecto do combustível, para facilitar a turbulência térmica. Um certo número de tubos de alimentação estão ligados aos referidos tubos para a alimentação e a descarga, para e dos mesmos-, do fluido de refrigeração. Numa forma de realização, a câmara tem uma secção transversal de configuração simétrica e os meios de transporte estão situados centralraente ao longo do comprimento do fundo da câmara. Numa outra forraa de realização do sistema, a câmara tem □ma secção transversal de configuração assimétrica e os meios de transporte estão situados junto de um lado ao longo do comprimento do fundo da câmara. 0 sistema de combustão pode ser utilizado como parte de um sistema de caldeira com tiragem equi_ librada, com meios de accionamento de ar forçado e meios de accionamento de ar induzido.

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Estes, bem como outros objectos e vantagens que serão evidenciados no seguimento, residem nos pormenores da construção e funcionamento da presente invenção, como se descreve e reivindica mais completamente a seguir, com referência aos desenhos anexos, nos quais os numeros de referência iguais se aplicara sempre a peças iguais, e representando as figuras:

A fig. 1, uma vista esquemática de um sistema de caldej_ ra de tiragem equilibrada que incorpora um sistema de combustão segundo a presente Invenção;

A fig. 2, uma vista de topo esquemática de um sistema de combustão segundo a presente invenção ilustrando uma câmara de combustão simétrica;

A fig. 3, um alçado lateral do sistema de combustão da fig. 2;

A fig. 4, uma yjsta de topo esquemática de uma outra forma de realização ilustrando uma câmara de combustão assinetri ca;

A fig. 5, uma vista de topo parcial ampliada, mostrando uma porta refrigerada por agua no interior na extremidade de en trada da câmara de combustão.

Com referência aos desenhos, na fig. 1 estã representado ura sistema de caldeira com tiragem equilibrada, designada ge nericamente pelo numero (10), possuindo um sistema de combustão

-5turbulenta (12) segundo a presente invenção nela incorporado. 0 sistema de caldeira com tiragem equilibrada é õtil para a combustão de combustíveis sólidos tais como lixo municipal. 0 sistema de caldeira com tiragem equilibrada inclui ura poço (14) pa. ra o combustível sólido (15), que é deslocado por um guindaste (16) para uma treraonha de carga (18), a partir da qual o combug tível é fornecido para o interior de um plano inclinado de alimentação (20) que conduz ao sistema de combustão (12). Um macaco de alimentação (22) pode ser usado para facilitar a carga do combustível sólido para o interior do sistema de combustão (12). As cinzas e os gases da combustão quentes são descarregados do sistema de combustão (12) para uma caldeira de tubos de agua (24) onde as cinzas caem para o fundo e são descarregadas atrayés de uma saída (26) de descarga das cinzas. Os gases queji tes sobem e são usados para produzir vapor de agua num tambor de yapor (28), de modo que o vapor de agua pode ser usado como fonte de energia apropriada. Os gases passam depois disso através de ura economizador de água de alimentação (30}, que retira roais calor dos gases quentes, depois de estes terem deixado a caldeira. Do economizador, os gases passam através de um depura_ dor dos gases (31) e de equipamentos de controlo da Doluição (32), onde os gases são descarregados para a atmosfera, através de uma chami né (34) .

Pode utilizar-se uma ventoinha (36) para forçar o ar de combustão atrayés das caixas de ar (40) para o interior do sistema de combustão (12). Um aquecedor do ar (38) pode ser proporcionado para aquecer o ar de entrada que é fornecido ãs caixas de ar. Pode proporeionar-se um transportador de resíduos (42)

-6-i por baixo das caixas de ar (40) para recolher os resíduos sólidos que caem do sistema de combustão (12) e descarregar os mesmos para a saída de descarga das cinzas (26). Analogamente, pode proporcionar-se um transportador (44) para a remoção das cin zas volantes e dos sólidos do depurador para recolher as cinzas volantes e os sólidos retirados dos gases quentes no depurador e no equipamento de controlo da poluição e transportar os mesmos para a saída (26) de descarga das cinzas. As condutas (45) são proporcionadas para recolher as cinzas volantes e os sólidos provenientes dos gases ã medida que passam através das zonas do tambor de vapor e do economizador e descarregar os mesmos para a saída de descarga (26). Pode proporeionar-se uma ventoinha de tiragem forçada (46) entre o equipamento (32) de controlo da poluição e a chaminé (34) para facilitar a passagem dos gases quentes para fora, através da chaminé.

Os tubos descendentes (48) são usados para proporcionar ura refrigerante, tal como agua, a partir de uma fonte apropriada, tal como ura tambor de vapor (49), para o sistema de combustão. Um tubo ascendente (50) faz o retorno da agua quente e do vapor a partir do sistema de combustão para o tambor de vapor (28).

Como se vê melhor nas fig. 2 e 3, uma forma de realização do sistema de combustão inclui uma câmara de combustão fixa (52), na generalidade cilíndrica e estendendo-se longitudinalmente, formada por um certo número de tubos de arrefecimento circulares (54) interligados. Os tubos de refrigeração (54) podem ser ligados por nervuras sólidas (56), como se mostra na

-7fig. 3, para formar uma câmara fixa. Em alternativa, a câmara de combustão pode ser feita apenas a partir de tubos de refrig^ ração soldados entre si sem quaisquer nervuras entre os mesmos.

aspecto importante é que as paredes da câmara sejam estanques ao ar. A câmara (52) tem uma extremidade de entrada (58), uma extremidade de saída (60), uma parte superior (62), um fundo (63) e paredes laterais (64). As paredes laterais da câmara e a parte superior são feitas de um material condutor do calor, tal como aço. Os tubos de refrigeração circulares (54) representados nos desenhos são verticais e situam-se num plano perpendic_u lar ao eixo longitudinal da câmara de combustão. Como se mostra na fig. 2, a câmara desta forma de realização tem uma secção transversal cora configuração simétrica.

Um tubo de alimentação inferior (66) que se estende 1 o ri gitudinalmente é prporcionado junto do fundo ao longo de cada ura dos lados da câmara (52) que esta ligado aos tubos de refrigeração (54) e ao tubo descendente (48) para fornecer fluido de refrigeração aos tubos. Um tubo de distribuição superior (68) a_d jacente â parte superior da câmara (52) esta ligado ã extremidjj de superior dos tubos (54) para receber o fluido de refrigeração aquecido e transmitir o mesmo para o tubo ascendente (50) de modo que o refrigerante regressa ao tambor de vapor (28).

A câmara de combustão (52) pode, em alternativa, ser construída com vários tubos que se estendem 1ongitudinaImente em torno da periferia da câmara em vez de tubos verticais. Neste caso, os tubos de alimentação estariam nas extremidades da câmara de combustão em vez de na parte superior e no fundo.

-8Proporcionam-se meios de transporte (70) adjacentes ao fundo da câmara de combustão (52) para transportar o combustível (15) através dos mesmos ao longo de um trajecto paralelo ao eixo longitudinal da câmara. Os meios de transporte do combustí vel tem de preferência a forma de um transportador apropriado, tal como uma grelha móvel, uma grelha animada de um movimento alternativo ou uma grelha vibratória. Os meios de transporte do combustível (70) estão providos de várias aberturas (74) para permitir a entrada de ar de combustão na câmara de combustão pa, ra cima através do combustível ao longo do comprimento da cãm£ ra. 0 ar de combustão pode ser fornecido através de um tubo (76) com um registo de controlo (78) no seu interior que conduz a cada uma das caixas de ar (40) situadas por baixo dos meios de transporte do combustível. 0 tubo (76) recebe ar da ventoinha de ar forçado (36) depois de ter passado através do aquecedor de ar (38). Na forma de realização representada na fig, 2, os meios de transporte do combustível estão situados centralmeri te ao longo do comprimento do fundo da câmara de combustão (52).

A extremidade de entrada (58) da câmara de combustão e£ tã provida de uma abertura (80) para o plano inclinado de alimentação para receber combustível do plano inclinado de alimentação (20). Como se representa nas fig. 3 e 5, uma porta (82) refrigerada por ãgua estã montada rotativamente no interior da parede da extremidade de entrada (58) da câmara de combustão para fechar a abertura (80) do plano inclinado de alimentação. Como se vê melhor na fig. 5, a porta (82) esta montada num veio oco (84) que estã fixado rotativamente na extremidade de entra-9/ da por meio de suportes (88) que possuem chumaceiras, A porta (82) tem um interior oco e o veio (84) tem vários furos (86) na sua parte inferior que comunicam com o interior da porta oca.

Um refrigerante, tal como ãgua, e fornecido ao veio por um tubo (90) numa sua extremidade, de modo que o refrigerante passa para o interior do veio (84) e desce através das aberturas (86) para o interior da porta. A agua circula no interior da porta, depois sai através das aberturas (82) de novo para o interior do veio (84) de onde sai através do tubo (92). A porta (82) esta normalmente suspensa numa posição fechada com qualquer meio apropriado, tal como um mecanismo de mola que é utilizado para aplicar uma carga ou tensão prévia ã porta para a levar para a posição fechada. Quando o macaco (22) for activado para a frente para impelir o combustível para o interior da câmara de combustão, o macaco empurra a porta abrindo-a como se representa a tracejado na fig. 3. Correspondentemente, quando se desloca o macaco para tras, a tensão na porta faz com que ela se feche ajj toraaticamente. Se se desejar, pode utilizar-se um mecanismo ad_£ cional para abrir a porta para acesso ao interior da câmara quando o macaco não estiver em operação, por exemplo durante a inspecção e/ou outras actividades de manutenção. Um mecanismo apropriado compreende um braço (94) que se estende para fora a partir de uma extremidade do veio oco (84) que estã ligado ao cilindro hidráulico (95). Quando o cilindro hidráulico for operado, ele abre a porta.

A porta arrefecida por agua inibe a radiação a partir da câmara de combustão de inflamar o combustível presente no plano inclinado de alimentação (20). A porta também controla a alimentação de combustível para o interior da câmara pois ela possui uma pré-tensão tal que se manrem fechada quando o macaco não esta activo. A porta desempenha ainda a função de inibir o escoamento incontrolado de ar através da abertura (80) do plano inclinado de alimentação. Um fluxo incontrolado tende a interferir com a capacidade de controlo da combustão na câmara de combustão.

A este respeito deve ainda notar-se que a alimentação de combustível normelmente no plano inclinado de alimentação impede a entrada de ar através da abertura do plano inclinado de alimentação.

Um queimador de ignição (96) esta montado junto da extremidade de entrada (58) da camara de combustão (54) para facilitar a ignição do combustível na camara de combustão.

Como se mostra na fig. 2, a largura da câmara de combustão (52) é maior do que a largura do trajecto do combustível que estã a ser transportado pelos meios de transporte do combustível (70), favorecendo assim a turbulência térmica na câmara. A combustão do combustível na câmara de combustão gera chama e produtos gasosos quentes. Os produtos gasosos quentes são de baixa densidade devido ã sua elevada temperatura. Os produtos gasosos quentes fornecem calor por radiação e por cori vexão âs paredes frias da câmara, A combustão do combustível solido, tal como lixos municipais, gera temperaturas de combus_ tão extremamente altas, aproximando-se dos 1 370°C (2 500°F).

Por outro lado, o refrigerante que passa pelos tubos (54) baixa a temperatura das paredes laterais (64) da câmara de combus_ tão uara cerca de 260°C (500°F).

arrefecimento dos produtos gasosos pelo refrigerante que passa através dos tubos (54) reduz a temperatura dos produi tos gasosos para um valor próximo do das paredes laterais, aumentando assim a sua densidade. A diferença de densidades entre a chama e os gases junto de e sobre o combustível (15) que está a arder, comparados cora os gases mais frios e mais densos junto das paredes e do tecto frios da camara, faz com que os gases mais quentes subam pelo combustível a arder, enquanto os gases mais frios junto das paredes frias da câmara descem junto dessas paredes. Isso estabelece e activa um ou mais padrões de circulação nos gases, como se mostra na fig. 2. Na fig. 2, os gases mais quentes (97) sobem através do combustível a arder no centro da câmara, enquanto os gases mais frios (98) de£ cem junto das paredes frias da câmara. 0 fluxo de gases paral£ lo ao eixo longitudinal da câmara no sentido da extremidade de saída (60) da câmara combina-se com o movimento de circulação estabelecido pela convexão térmica para produzir um ou mais turbilhões nos gases na câmara. Estes turbilhões têm os seus eixos aproximadamente paralelos ao eixo longitudinal da câmara de combustão (52). Desta maneira, estabelece-se um elevado grau de turbulência térmica na câmara de combustão (52),

Na forma de realização da câmara de combustão (52) representada na fig. 4, a câmara ('52) tem uma secção transversal assimétrica, em oposição a uma configuração simétrica da mesma secção transversal ilustrada na fig. 2, A câmara desta forma de realização é no entanto ainda genericamente cilíndrica, com a parte superior e as paredes laterais curvas. Nesta forma de realização, os meios de transporte do combustive 1(70) estão (

-12posicionados junto de cada um dos lados ao longo do comprimento do fundo da câmara. Desta maneira, a parede lateral (64) re presentada no lado direito do desenho está mais desviada para o lado a partir do tubo de alimentação superior do que a parede lateral (64) do lado esquerdo do desenho. 0 funcionamento da câmara de combustão representada na fig, 4 e, no entanto, semelhante ao funcionamento da câmara de combustão representada na fig. 2, na medida em que os gases quentes (97) que sobem acima do leito de combustível (72) são arrefecidos pelos tubos (54), de modo que os gases (98), mais frios e mais densos, deg cem ao longo das paredes laterais do lado direito da câmara pa. ra estabelecer um movimento circular para produzir um ou mais turbilhões nos gases da câmara.

A turbulência térmica estabelecida na câmara de combu^ tão existe numa gama extraordina riamente ampla de condições de funcionamento, enquanto o combustível estiver a arder na câmara e as paredes e o tecto da câmara estiverem a ser arrefecidos . Todos os sistemas de combustão necessitam de turbulência para misturar eficazmente os gases combustíveis com ar para conseguir a combustão eficiente e minimizar a libertação de ga. ses combustíveis não queimados. Outros tipos de sistemas de combustão têm de depender de acções mecânicas, tais como uma queda de pressão numa garganta do forno, ou a acção de agitação de jactos de ar e gases a grande velocidade para promover a mistura turbulenta. Estes processos de forçar a mistura turbulenta têm de ser cuidadosamente calculados e operados para serem eficientes e apenas se mantêm eficientes numa gama relativamente estreita de condições de funcionamento.

-13Pelo contrario, o sistema de combustão segundo a presente invenção não exige qualquer desses meios mecânicos ou ac ções forçadas para conseguir obter a mistura turbulenta dos g_a ses com o ar, fazendo essa mistura naturalmente, como característica básica da sua concepção. A mistura turbulenta assim es. tabelecida é eficaz e fiável numa ampla gama de condições de funcionamento e não exige um controlo parti cu 1armente apertado para que se mantenha eficiente.

Os entendidos na matéria podem imaginar numerosas a 1 t_e rações e modificações da estrutura aqui apresentada. Deve entender-se, no entanto, que a presente descrição se refere a formas de realização preferidas da invenção, dadas apenas como ilustração e sera deverem constituir qualquer limitação da mesma. Todas essas modificações que não se afastem do espírito e do âmbito da presente invenção devem considerar-se incluídas no âmbito das reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1.- Sistema de combustão turbulenta termicamente (12) que possuí uma câmara de combustão (52) genericamente cilíndrica, que se estende longitudinalmente, com uma extremidade de entrada (58), uma extremidade de saída (60), uma parte superior (62), um fundo (63) e paredes laterais (64), caracterizado por compreender um certo número de tubos de refrigeração periféricos (54) interligados, um transportador (70) do combustível adjacente ao fundo (63) da referida câmara de combustão (52) para transportar combustível (15) longitudinalmente da extremidade de entrada (58) para a extremidade de saída (60), e uma alimentação de ar (36,38,

40,76,78) para fornecer ar de combustão para a referida câmara de combustão (52), sendo a largura da referida câmara de combustão (52) maior do que a largura do referido transportador (70) proporcionando um fluxo de gás circulante turbulento no interior da referida câmara de combustão para promover a combustão completa .
2. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir tubos de alimentação (66,68) ligados aos referidos tubos (54) para fornecer e descarregar fluido refrigerante para e a partir dos mesmos.
3. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os referidos tubos de alimentação (66, 68) serem substituídos por um tubo de alimentação inferior (66) adjacente ao fundo (63) ao longo de cada lado da referida câmara de combustão (52) e um tubo de alimentação superior (68) adjacente ã parte superior (62) da referida câmara de combustão (52).
4. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido transportador (70) compreender um transportador do tipo de grelha.
5. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida alimentação de ar (36,38,40,

76,78) incluir uma caixa de ar (40) adjacente ao referido transportador (70) que fornece ar através do referido transportador (70) .

-166. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida câmara de combustão (52) ter uma secção transversal com uma configuração simétrica e o referido transportador (70) estar colocado centralmente ao longo do fundo (63) da referida câmara de combustão (52).
7. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida câmara de combustão (52) ter uma secção transversal de configuração assimétrica e o referido transportador (70) estar disposto ao longo de um lado do fundo (63) da referida câmara de combustão (52).
8. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir um queimador de ignição (82) adjacente ã referida extremidade de entrada (58) da câmara de combustão (52).
9. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir uma abertura (80) na referida extremidade de entrada (58) para receber combustível e uma porta (82) arrefecida com água que fecha a referida abertura (80), sendo a referida porta aberta para admitir combustível para a referida câmara de combustão (12).
10.- Sistema de combustão turbulenta termicamente (12) que possui uma câmara de combustão (52) genericamente cilíndrica e estendendo-se longitudinalmente, com uma extremidade de entrada (58), uma extremidade de saída (60), uma parte superior (62), um fundo (63) e paredes laterais (64), caracterizado por incluir vários tubos de refrigeração periféricos interligados (54), tendo tubos de alimentação (66,68) ligados aos referidos tubos (54) para fornecer e descarregar fluidos de refrigeração para e dos mesmos, dois tubos de alimentação inferiores (66) um disposto de cada lado do fundo (63) da referida câmara de combustão (52) e um tubo alimentador (68) disposto junto da parte superior (62) da referida câmara de combustão (52), um transportador de combustível (70) junto do fundo (63) da referida câmara de combustão (52) para transportar combustível longitudinalmente da extremidade de entrada (58) para a extremidade de saída (60) da câmara de combustão (52), uma alimentação de ar de combustão (36,38,40,

76,78) que compreende uma caixa de ar (40) adjacente ao referido transportador (70) de modo que o ar é fornecido através do referido transportador (70), sendo a largura da referida câmara de combustão (52) maior do que a largura do referido transportador proporcionando um fluxo de gás circulante turbulento no interior da referida câmara de combustão (52) para promover a combustão completa.
11.- Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o referido transportador (70) compreen-18- der um transportador do tipo de grelha.
12. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a referida câmara de combustão (52) ter uma secção transversal de configuração simétrica e o referido transportador (70) estar disposto centralmente ao longo do fundo (63) da referida câmara de combustão (52).
13. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a câmara de combustão (52) ter uma secção transversal de configuração assimétrica e o referido transportador (70) estar disposto ao longo de um lado do fundo (62) da referida câmara de combustão (52).
14. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por incluir um queimador de ignição (82) disposto junto da referida extremidade de entrada (58) da câmara.
15. - Sistema de combustão (12) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por incluir uma abertura (80) na referida extremidade de entrada (58) para receber combustível e uma porta (82) arrefecida com água que fecha a referida abertura (80), sendo a referida porta (82) aberta para admitir combustível para o interior da referida câmara de combustão (12).