WO2023035050A1 - QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx E MÉTODO OPERACIONAL PARA REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO E/OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO - Google Patents
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Definitions
- the present patent deals with a low NOx emission burner and operational method for reducing the formation of Nox applied in the process of sintering and/or hardening of iron ore pellets, more specifically, a burner of the type used in combustion industrial for the reduction of NOx emission by rapid mixing of the fuel gas with the downward flow of the oxidant before autoignition and flame stabilization.
- Said innovative burner integrates an operational method in which the jets of fuel gas discharged from the collector ring are first mixed with the oxidant and follow, in combustion, in rotational movement, through the flow of the descending duct, also known as " downcomer" from the oven.
- Nitrogen oxide gases NO and NO2 are typically formed during the combustion process, especially industrial. The highest temperatures are observed around the stoichiometric zones of the flames and can reach 1925°C/3500F for the combustion of natural gas mixed with ambient air. The maximum of thermal NOx is formed in these zones.
- NOx in burning processes depends on several factors, such as: fuel composition, system operation mode, burner and combustion chamber design.
- One of the determining parameters for the generation of this pollutant is the presence of temperature peaks that occur in certain regions of the flame, which is why the goal of many burner manufacturers and designers of combustion systems with low NOx emission is to reduce or eliminate the occurrence of so-called spikes.
- the burners used in the process of sintering or hardening iron ore pellets use a small amount of primary air, supplied by a blower or fan, and the rest of the oxidant necessary for the combustion reaction is obtained from the Circulating hot flow, which is normally a mixture of hot air and combustion products.
- the oxygen content in this hot circulating stream is typically greater than 10% (volumetric basis).
- the staging of the fuel gas injection is a technique commonly used to control NOx emissions, as it allows the dispersion of the fuel gas within the envelope of the flame, and thus reduces temperature peaks in the flame and the respective formation of NOx. This technique, however, does not allow a significant reduction of NOx emissions in sintering furnaces or hardening of NOx iron ore pellets.
- the flame of the burner used in the process is formed by consuming oxidant at very high temperatures, around 850 to 1050 °C.
- the flame from the burner has a large envelope format being relatively wide and more or less long.
- the volume-envelope-restricted combustion reaction such as, in this case, flame envelope or jet-type flame, always tends to have a higher average temperature, and thus higher NOx, compared to the reaction that is "spread out" in the entire volume of the furnace or furnace.
- the 'l-Jet' burner supplied by FCT Combustion - is an example of burners used in iron ore pelletizing industries.
- This forms a jet-type flame, with the chemical reaction of combustion completed in the flame envelope formed in front of the burner.
- the primary air and fuel gas injection staging in contact and mixing with the kiln ambient gases, form the flame, which can be longer or shorter, wider or narrower.
- it is still a high-temperature, jet-type flame. Due to the staging of fuel gas injection, the average flame temperature can be reduced which can help with NOx reduction. But the reduction is not significant, especially in the process of sintering or high temperature hardening of iron ore. This is largely due to the significant contribution of the high temperature oxidant used in combustion.
- It is another object of the invention to present a low NOx emission burner comprising a fuel gas distribution and injection manifold, which is inserted into the descending channel of the sintering furnace or hardening of iron ore pellets.
- This combination of the combustible gas collector together with the descending passage of the furnace configures the burner of this invention.
- Another objective of this invention is to present a low NOx emission burner whose set includes the gas collector of fuel gas manufactured in the form of a circular ring and made, for example, of stainless steel or silicon carbide.
- the combustible gas collector is equipped with a set of fins mounted on the inside of the collector ring.
- the fins have a special innovative profile and are fixed to the manifold in order to deflect the downward flow of gases from the vertical motion with addition of horizontal motion vector. This vector, together with the cylindrical shape of the d channel downstream, creates rotational movement of the gases downstream of the slip ring/fin assembly.
- the manifold also has a plurality of openings for discharging fuel gas. These vents are arranged in groups, with each group positioned against a single fin. Each group can have, for example, from four to six openings that discharge fuel gas against the wall of each fin.
- the gas collector ring has at least one inlet, which can be connected to the fuel gas supply system.
- the burner assembly is inserted into the vertical passage of the furnace where the downward flow needs to be heated, for example, from 900 to 1300 °C, before entering the mobile iron ore pellet grate.
- the fins deflect part of the downward flow and create the effect of rotational flow in the vertical passage of the furnace.
- the vertical section of the descending passageway is necessary to create this swirling effect and thus allow rapid mixing of the fuel gas with oxidant before the combustion reaction takes place. Therefore, defining the location of the burner insertion in the vertical passage is essential to achieve the best result.
- the new method proposes that the jets of fuel gas discharged from the collector ring predominantly mix first with the oxidant and then burn in the downstream stream rotational.
- the even distribution of the fuel gas around the perimeter of the downcomer passage along with the swirling effect of the downstream flow allows for rapid mixing of the fuel gas with the dilute oxygen downstream.
- temperature peaks are reduced.
- Downstream gases are composed primarily of oxygen (O2), nitrogen (N2), carbon dioxide (CO2) and water vapor (H2O).
- the presence of these inert gases (CO2, N2 and H2O) significantly reduce the adiabatic temperature of the combustion reaction. All of these factors together can lead to a significant reduction in NOx formation in the combustion zone.
- Figure 1 shows a schematic elevation side view of the furnace for sintering or hardening iron ore pellets with an innovative window for inserting the burner into a vertical passage;
- Figure 2 represents a burner assembly in top view, represented inside the cylindrical descending channel of the furnace;
- Figure 3 illustrates a perspective view of the burner collector ring with the fins installed on the inner circumference of the collector
- Figure 4 shows a horizontal view 'A' indicated in Figure 2 of the inner part of the burner gas collector ring and demonstrating the positioning of the fins;
- Figure 5 shows a longitudinal sectional view in a plane through the middle of the vanes to illustrate the positioning of the gas injectors with respect to each vane;
- Figure 6 illustrates a 'B' profile view of the fin shown in Figure 4.
- Figure 7 shows the fins in perspective illustrating their more intense deflection effect of the downward flow; It is [026]
- Figure 8 shows a portion of the downstream channel of the kiln, where the burner is installed, to illustrate the swirl pattern of the burn stream in the channel.
- This patent refers to the "LOW NOx EMISSION BURNER AND OPERATIONAL METHOD FOR REDUCING NOx FORMATION APPLIED IN THE PROCESS OF SINTERIZING OR HARDENING IRON ORE PELLETS", more precisely it is a burner ( 12) of the type for industrial combustion and iron ore pelletizing process, and more exactly, to sintering furnaces or hardening of iron ore pellets.
- said burner (12) is installed in the descending passage (14) of the oven (FO) through the window (16), located in the upper portion of the descending passage (14). Said burner (12) raises the temperature of the descending circulating flow (18) from the gas collector (20) to the required level before entering the mobile grids (22) provided with iron ore pellets (22a).
- the burner (12) comprises a collector ring (24) with a circular or rectangular section. The external diameter (D) of the ring (24) is smaller than the internal diameter (D') of the downward passage (14).
- the collector ring (24) is equipped on its inner circumference with fins (26) (see figures 2, 3 and 4), oblique in angle (a) with respect to the horizontal transverse plane of the collector, which allow to deflect the flow down and input horizontal velocity components to it.
- Said angulation (a) causes the velocity vector to obtain a tangential component and so that, in the cylindrical profile of the descending channel, it generates a swirling or rotational effect.
- the deflection angle (a) of the vane (26) can be from 30° to 60° with respect to the horizontal transverse plane of the collector ring (24) of fuel gas. If angle (a) is greater than 60°, the deflection, and thus the rotational effect, will not be strong enough to achieve the desired rapid gas/oxidizer mixing. On the other hand, if the angle (a) is less than 30°, the resistance to the downward flow (18) increases significantly resulting in less flow traveling along the fins (26) and more flow in the center of the downward channel (14). .
- the distance (K) between the fins (26), the length (L) of each fin (26) and the number of fins (26) are determined to create the necessary intensity of rotation of the downward flow (18) without increasing significantly the head loss through the burner (12) installed in the descending channel.
- the collector ring (24) of the burner (12) is equipped with at least one inlet pipe (28) arranged orthogonally to the collector ring (24), which can be connected to the fuel gas supply line.
- Fuel gas is injected into the hot gas stream (18) through a plurality of openings (30) (see Figure 5).
- Said openings are organized in groups (32), aligned, and have their discharges pointed towards the wall of each fin (26) aligned.
- Each group (32) can be formed by two to eight openings (30), in this case we present a model with five openings for the discharge of the fuel jets (34) in each passage of the fin (26).
- Part of the total downward flow (18) travels along the vane passage (26) mixes with the five fuel jets (34) and all together are deflected to create a rotational flow downstream of the burner (12).
- Each fin (26) (see figures 4 and 6) is built in the shape of an 'L' profile, with the flap (26a) forming an angle (P) of 90° (see figure 6). This preferably varies between 45° and 90°. If the angle (P) exceeds 90°, the jets of fuel gas (34) can partially escape the passage of the vane (26) and reduce the mixing efficiency. On the other hand, if this angle (P) is less than 45°, the jets of fuel gas (34) can create unnecessary pressure fluctuations and possibly vibration of the burner (12).
- the choice of dimension (N) of the fin (26) depends on the diameter (D') and area of the descending channel (14), where the burner (12) is installed.
- the ratio of the dimensions (M)/(N) of each fin (26) is preferably between 0.25 and 0.5, if less than 0.25, jets of fuel gas (34) can escape the passage of the fin (26), if greater than 0.5, the fin (26) will be heavier without any additional benefit to the burner.
- each fin (26) can be shaped in a way (see figure 7) to deflect the downward flow (18) more horizontally, and, at the to do so, promote a greater degree of rotation within the descending cylindrical channel downstream of the burner (12).
- the cylindrical descending channel (14) should be considered as a part of the burner (12).
- Part of the downward flow (18) deflected by the fins (26) is pre-mixed with the fuel gas and acquires rotational motion (42) along the cylindrical surface of the downward channel (14).
- the current is burnt.
- the fuel gas is uniformly distributed around the circumference (46) of this channel, mixing occurs rapidly with diluted oxygen in the inert gases, and as a result, the temperature peaks are significantly reduced and the combustion reaction produces very low NOx emission in compared to the previous technique.
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Abstract
Queimador (12) que utiliza o oxigênio presente no fluxo descendente (18) de gases, composto por mistura de ar com produtos de combustão que circula através das zonas do forno de pelotização de minério de ferro. O conjunto do queimador (12) inclui anel coletor (24) de combustível equipado com aletas (26) montadas na parte interna do coletor, e também conta com uma pluralidade de aberturas (30) para descarga de gás combustível. Essas aberturas (30) compõem uma sequência de grupos (32) alinhado com cada aleta (26). O conjunto do queimador (12) é inserido através da janela especial (16) e instalado onde o fluxo descendente (18) precisa ser aquecido, por exemplo, de partir de 850 a 1350°C. As aletas (26) defletem parte do fluxo descendente (18) e criam o efeito de rotação nos gases no "downcomer" do forno. Os jatos de gás combustível descarregados a partir do anel de coletor (24) são misturados com o fluxo de gases e queimam na corrente do fluxo descendente em redemoinho. A distribuição uniforme do gás combustível em torno do perímetro da passagem descendente junto com o efeito de redemoinho do fluxo descendente permite a mistura rápida do gás combustível com o oxigênio do fluxo descendente e por isso reduz, significativamente, a formação de NOx na zona de combustão.
Description
"QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx E MÉTODO OPERACIONAL PARA REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO E/OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO".
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001] A presente patente de invenção trata de queimador de baixa emissão de NOx e método operacional para redução de formação de Nox aplicado em processo de sinterização e/ou endurecimento de pelotas de minério de ferro, mais especificamente, queimador do tipo utilizado em combustão industrial para a redução de emissão de NOx por mistura rápida do gás combustível com o fluxo descendente do oxidante antes da autoignição e estabilização de chama.
[002] Dito queimador inovador integra método operacional em que os jatos de gás combustível descarregados a partir do anel coletor misturam-se primeiramente com o oxidante e seguem, em combustão, em movimento rotacional, pelo fluxo do duto descendente, também, denominado como "downcomer" do forno. A distribuição uniforme do gás combustível em torno do perímetro da seção de passagem do "downcomer", aliado a ao efeito rotacional do fluxo do "downcomer" permite a mistura rápida do gás combustível com oxigênio diluído nesta corrente.
HISTÓRICO DA INVENÇÃO
[003] Os gases de óxido de nitrogênio NO e NO2 (NOx) são tipicamente formados durante o processo de combustão, especialmente, industrial. As temperaturas mais altas são observadas em torno das zonas estequiométricas das chamas e podem alcançar 1925° C/3500 F para a combustão do gás natural misturado com o ar ambiente. O máximo do NOx térmico é formado nessas zonas.
[004] Supracitados óxidos de nitrogênio ao serem transportados pelo ar e reagindo com a água formam ácido nítrico atingindo todo o ciclo natural do meio ambiente envenenando solos, rios e águas subterrâneas, atingindo cadeias alimentares, corroendo estruturas metálicas, monumentos históricos e edificações, entre outros inconvenientes, bem como, pode causar o fenômeno denominado como 'Smog' fotoquímico que corresponde a poluição atmosférica em que se forma uma nuvem escura e venenosa constituída por fumaça, neblina, ar, gases poluentes e material
particulado.
[005] A formação de NOx em processos de queima depende de diversos fatores, tais como: composição do combustível, modo de operação do sistema, projeto dos queimadores e da câmara de combustão. Um dos parâmetros determinantes geração desse poluente é presença de picos de temperatura que ocorrem em certas regiões da chama, razão pela qual a meta de muitos fabricantes de queimador e projetistas de sistemas de combustão com baixa emissão de NOx é reduzir ou eliminar a ocorrência de ditos picos.
[006] Em pesquisa em banco de dados especializados foram encontrados documentos que revelam modelos de queimadores e métodos de pré-aquecimento os fluxos de ar quente circulantes usados no processo de sinterização de pelotas de minério de ferro. Dentre os documentos encontrados são previstos os documentos de n^. JP2009235507A, AU2009272126B2, CH104114681B, JP2005060762A, US2676095A, KR101665066B1, JP5458860B2, US8961650B2 e JP2008185054A.
[007] De modo geral, os queimadores utilizados no processo de sinterização ou endurecimento de pelotas de minério de ferro usam pequena quantidade de ar primário, fornecida por soprador ou ventilador, e o restante do oxidante necessário à reação de combustão é obtido a partir do fluxo quente circulante, que é normalmente uma mistura de ar quente com produtos de combustão. O teor de oxigênio nesse fluxo circulante quente é normalmente superior a 10% (base volumétrica). O estagiamento na injeção do gás combustível é técnica comumente utilizada para controle de emissões de NOx, pois permite a dispersão do gás combustível dentro do envelope da chama, e assim, reduz os picos da temperatura na chama e respectiva formação de NOx. Esta técnica, porém, não permite redução significativa das emissões de NOx em fornos de sinterização ou endurecimento de pelotas de minério de ferro NOx.
[008] Primeiramente, a chama do queimador usado no processo é formada ao consumir oxidante a temperaturas muito elevadas, em torno de 850 a 1050 °C.
[009] Em segundo lugar, mesmo com a injeção estagiada do gás combustível, por exemplo, usando lanças cercando o jato de ar primário, a chama a partir do queimador tem um formato de grande envelope sendo relativamente larga e mais ou menos longa.
A reação de combustão restrita volume do envelope, como, neste caso, envelope da chama ou chama do tipo jato, sempre tem tendência a apresentar temperatura média mais alta, e assim NOx mais elevado, em comparação à reação que é ocorre "espalhada" em todo o volume do forno ou fornalha.
[010] Da mesma forma, o queimado tipo 'l-Jet' fornecido pela FCT Combustion - é exemplo de queimadors usado nas indústrias de pelotização de minério de ferro. Este forma chama do tipo jato, com a reação química da combustão concluída no envelope de chama formado à frente do queimador . O ar primário e estagiamento da injeção de gás combustível, em contato e mistura com os gases ambientes do forno, formam a chama , que pode ser mais longa ou mais curta, mais larga ou mais estreita. Porém é ainda uma chama do tipo jato, de alta temperatura. Devido ao estagiamento da injeção do gás combustível, a temperatura média de chama pode ser reduzida e que pode ajudar com a redução do NOx. Porém a redução não é significativa, especialmente no processo de sinterização ou endurecimento a alta temperatura de minério de ferro. Isso é em grande parte devido à contribuição significativa do oxidante de alta temperatura usado na combustão.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[011] É objetivo da invenção apresentar um queimador de baixa emissão de NOx e método operacional de redução de formação de NOx aplicados em processo de sinterização de pelotas de minério de ferro que permitem superar as desvantagens da técnica anterior.
[012] É outro objetivo da invenção apresentar um queimador de baixa emissão de NOx que compreende um coletor de distribuição e injeção de gás combustível, o qual é inserido no canal descendente do forno de sinterização ou endurecimento de pelotas de minério de ferro. Essa combinação do coletor de gás combustível junto com a passagem descendente do forno configura o queimador desta invenção.
[013] É, ainda, objetivo desta invenção apresentar um queimador de baixa emissão de NOx que utiliza o oxigênio presente no fluxo de gases quentes do "downcomer", que consiste na maior parte de ar quente misturado a produtos de combustão. Esse fluxo circula através das zonas do forno de sinterização ou endurecimento de minério de ferro
do tipo grelha móvel. O fluxo de gases quentes do "downcomer” é aquecido diretamente pela chama do queimador até uma temperatura de cerca de modo a 1300 °C/1400°C, necessária ao processo de endurecimento de pelotas de minério de ferro. Então, a função deste queimador inovador é aquecer o fluxo circulante aos níveis de temperatura exigidos para o processo e tendo a saída de emissão de NOx tão baixa quanto possível. [014] Outro objetivo desta invenção é apresentar um queimador de baixa emissão de NOx cujo conjunto inclui o coletor de gás de combustível fabricado em formato de anel circular e confeccionado, por exemplo, em aço inoxidável ou carbeto de silício. O coletor de gás combustível é equipado com um conjunto de aletas montado na parte interna do anel coletor. As aletas apresentam perfil inovador especial e são fixadas ao coletor de modo a defletir o fluxo descendente de gases a partir do movimento vertical com adição de vetor horizontal de movimento. Este vetor, junto com o formato cilíndrico do canal descendente, cria movimento rotacional dos gases a jusante do conjunto do anel coletor /aletas. O coletor possui, também, uma pluralidade de aberturas para descarga de gás combustível. Essas aberturas são organizadas em grupos, com cada grupo posicionados contra uma única aleta. Cada grupo pode ter, por exemplo, de quatro até seis aberturas que descarregam gás combustível contra a parede de cada aleta. O anel coletor de gás tem pelo menos uma entrada, que pode ser conectada ao sistema de abastecimento de gás combustível.
[015] O conjunto queimador é inserido na passagem vertical do forno onde o fluxo descendente precisa ser aquecido, por exemplo, de 900 até 1300 °C, antes de entrar na grelha móvel de pelota de minério de ferro. As aletas defletem parte do fluxo descendente e criam o efeito de fluxo rotacional na passagem vertical do forno. O trecho vertical da passagem descendente é necessário para criar esse efeito de redemoinho e permitir, assim, a mistura rápida do gás combustível com oxidante antes da ocorrência da reação de combustão. Portanto, a definição do local de inserção do queimador na passagem vertical é essencial para atingir o melhor resultado.
[016] O novo método, de acordo com esta invenção, propõe que os jatos de gás de combustível descarregados a partir do anel coletor se misturem predominantemente primeiro com o oxidante e em seguida queimem na corrente do fluxo descendente
rotacional. A distribuição uniforme do gás combustível em torno do perímetro da passagem do "downcomer" junto com o efeito de redemoinho do fluxo descendente permite a mistura rápida do gás combustível com o oxigênio diluído fluxo descendente. [017] Assim, os picos de temperatura são reduzidos. Os gases do fluxo descendente são compostos principalmente por oxigênio (O2), nitrogênio (N2), dióxido de carbono (CO2) e vapor de água (H2O). A presença desses gases inertes (CO2, N2 e H2O) reduzem significativamente a temperatura adiabática da reação de combustão. Todos esses fatores juntos podem levar à redução significativa na formação de NOx na zona de combustão.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[018] A complementar a presente descrição de modo a obter uma melhor compreensão das características do presente invento e de acordo com uma preferencial realização prática do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou seu funcionamento:
[019] a figura 1 revela uma vista lateral em elevação esquemática do forno de sinterização ou endurecimento de pelotas de minério de ferro com inovadora janela para inserção do queimador em uma passagem vertical;
[020] a figura 2 representa um conjunto de queimador em vista de topo, representado dentro do canal descendente cilíndrico do forno;
[021] a figura 3 ilustra uma vista em perspectiva do anel coletor do queimador com as aletas instaladas na circunferência interna à do coletor;
[022] a figura 4 mostra uma vista horizontal 'A' indicada na figura 2 da parte interna do anel coletor de gás do queimador e demonstrando o posicionamento das aletas;
[023] a figura 5 revela uma vista em corte longitudinal em um plano através do meio das palhetas para ilustrar o posicionamento dos injetores de gás com relação a cada palheta;
[024] a figura 6 ilustra uma vista 'B' do perfil da aleta indicada na figura 4;
[025] a figura 7 mostra em perspectiva as aletas ilustrando o seu efeito de deflexão mais intensa do fluxo descendente; e
[026] a figura 8 mostra uma porção do canal descendente da estufa, onde o queimador é instalado, para ilustrar o padrão de redemoinho da corrente de queima no canal.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[027] A presente patente de invenção se refere à "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx E MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO", mais precisamente trata-se de queimador (12) do tipo para combustão industrial e processo de pelotização de minério de ferro, e mais exatamente, aos fornos de sinterização ou endurecimento de pelotas de minério de ferro.
[028] Segundo a presente invenção, dito queimador (12) é instalado na passagem descendente (14) do forno (FO) por meio da janela (16), localizada na porção superior da passagem descendente (14). Dito queimador (12) eleva a temperatura do fluxo descendente circulante (18) proveniente do coletor de gás (20) até o nível exigido antes de entrar nas grelhas móveis (22) providas de pelotas de minério de ferro (22a). O queimador (12) é compreendido por anel coletor (24) de seção circular ou retangular. O diâmetro externo (D) do anel (24) é inferior ao diâmetro interno (D') da passagem descendente (14).
[029] O anel coletor (24) é equipado em sua circunferência interna com aletas (26) (ver figuras 2, 3 e 4), oblíquas em angulação (a) com relação ao plano transversal horizontal do coletor , que permitem defletir o fluxo descendente e introduzir componentes de velocidade horizontal ao mesmo. Dita angulação (a) promove que o vetor de velocidade obtenha componente tangencial e de modo que, no perfil cilíndrico do canal descendente, gere o efeito de redemoinho ou rotacional.
[030] O ângulo de deflexão (a) da palheta (26) pode ser de 30° a 60° com relação ao plano transversal horizontal do anel coletor (24) de gás combustível. Se o ângulo (a) for superior a 60°, a deflexão e, desse modo, o efeito rotacional, não será intenso o suficiente para atingir a mistura rápida de gás/oxidante desejada. Por outro lado, se o ângulo (a) for menor do que 30°, a resistência ao fluxo descendente (18) aumenta significativamente resultando em menos fluxo percorrendo ao longo das aletas (26) e mais fluxo no centro do canal descendente (14).
[031] A distância (K) entre as aletas (26), o comprimento (L) de cada aleta (26) e número de aletas (26) são determinados para criar a intensidade necessária de rotação do fluxo descendente (18) sem aumentar significativamente a perda de carga através do queimador (12) instalado no canal descendente.
[032] A determinação dos três parâmetros (K), (L) e números de aletas (26) depende do diâmetro (D') e área transversal do canal descendente (14), onde o queimador (12) é instalado.
[033] Quanto maior o diâmetro (D') do canal (14), maior será o diâmetro (D) do anel (24) do queimador (12) e consequentemente maior o número de aletas (26).
[034] O anel coletor (24) do queimador (12) é equipado com pelo menos uma tubulação de entrada (28) disposta ortogonalmente ao anel coletor (24), que pode ser conectada à linha de abastecimento de gás combustível. O gás combustível é injetado na corrente de gases quentes (18) através de uma pluralidade de aberturas (30) (ver figura 5). Ditas aberturas são organizadas em grupos (32), alinhadas, e têm suas descargas apontadas em direção à parede de cada aleta (26) alinhados. Cada grupo (32) pode ser formado por duas até oito aberturas (30), neste caso apresentamos modelo com cinco aberturas para descarga dos jatos de combustível (34) em cada passagem de aleta (26). Parte do fluxo descendente total (18) percorre ao longo da passagem da aleta (26) mistura-se com os cinco jatos de combustível (34) e todos juntos são defletidos de modo a criar um fluxo rotacional a jusante do queimador (12).
[035] Cada aleta (26) (ver figuras 4 e 6) é construída em forma de perfil em 'L', com aba (26a) formando ângulo (P) de 90° (ver figura 6). Este varia preferencialmente entre 45°e 90°. Se o ângulo (P) exceder 90°, os jatos de gás de combustível (34) podem parcialmente escapar a passagem da aleta (26) e reduzir a eficiência da mistura. Por outro lado, se esse ângulo (P) for menor do que 45°, os jatos de gás de combustível (34) podem criar flutuações desnecessárias de pressão e possivelmente vibração do queimador (12). A escolha da dimensão (N) da aleta (26) depende do diâmetro (D') e área do canal descendente (14), onde o queimador (12) é instalado. A razão das dimensões (M)/(N) de cada aleta (26) está preferencialmente entre 0,25 e 0,5, se menor do que 0,25, os jatos de gás de combustível (34) podem escapar da passagem da aleta
(26), se maior do que 0,5, a aleta (26) será mais pesada sem nenhum benefício adicional ao queimador.
[036] Como uma opção para melhor eficiência de mistura, a extremidade de saída (40) de cada aleta (26) pode ser modelada de um modo (ver figura 7) para defletir o fluxo descendente (18) mais horizontalmente, e, ao fazer isso, promover maior grau de rotação dentro do canal descendente cilíndrico a jusante do queimador (12).
[037] O canal descendente cilíndrico (14) deve ser considerado como uma parte do queimador (12). Parte do fluxo descendente (18) defletido pelas aletas (26) é pré- misturada com o gás combustível e adquire movimento rotacional (42) ao longo da superfície cilíndrica do canal descendente (14). Nesta região, de comprimento (L) igual a aproximadamente um diâmetro (D') do canal, a corrente é queimada. O gás combustível é uniformemente distribuído em torno da circunferência (46) desse canal, a mistura ocorre rapidamente com oxigênio diluído nos gases inertes, e, como resultado, os picos da temperatura diminuem significativamente e a reação de combustão produz emissão de NOx muito baixa em comparação à técnica anterior.
[038] Todos os elementos novos e exclusivos acima descritos do novo modelo e método de queimador (12) da mistura rápida permite a mistura dos jatos de gás (34) e oxidante do fluxo descendente (18) de maneira muito mais uniforme e, portanto, mais rápida, resulta em redução da temperatura média adiabática de chama. Devido a esses fatores, a emissão de saída de NOx é mais baixa e inferior àquela obtida com as técnicas anteriores.
[039] É certo que quando o presente invento for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada não teve a finalidade de limitação.
Claims
9
REIVI N DICAÇÕES
1) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", mais precisamente trata-se de queimador (12) para aplicações de aquecimento de processo predominantemente em fornos (FO) de pelotização de minério de ferro com baixa emissão de NOx; caracterizado por queimador (12) compreendendo anel coletor (24) cuja descarga de gás combustível é executada através de múltiplas aberturas (30) para a mistura de gás combustível com oxidante e formação de chamas para aquecimento direto de meio gasoso circulante; dito meio de aquecimento de processo é o fluxo descendente (18) circulante de ar quente diluído com os gases de combustão provenientes da queima de gás combustível; o anel coletor(24) é equipado com pelo menos uma entrada (28) para abastecimento de gás combustível; a descarga do gás de combustível está disposta através de múltiplas aberturas (30) localizadas no anel (24) equipado com aletas (26) dispostas na parte interna do coletor (24) em angulação (a) com relação ao plano horizontal do anel coletor (24) para defletir parte do fluxo descendente (18) da direção vertical à horizontal resultando num vetor de velocidade obtendo a componente tangencial e que no perfil cilíndrico do canal descendente gera o efeito de rotação ou redemoinho.
2) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por coletor (24) de gás de combustível apresentar-se com formato anelar, fabricado com seção circular ou retangular; o diâmetro externo (D) do anel de coletor (24) é reduzido em relação ao diâmetro interno (D') da passagem descendente (14).
3) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ângulo de deflexão (a) da aleta (26) estar entre 30° a 60° com relação plano horizontal transversal do anel coletor (24) de gás combustível.
4) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada aleta (26) ser modelada em perfil em 'L' com aba em ângulo (P) de 90°.
5) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 4 e numa opção construtiva, caracterizado por o ângulo (P) variar em cerca de 45° a 90°.
6) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela dimensão (N) da aleta (26) estar relacionada ao diâmetro (D') e à área
do canal descendente (14), onde o queimador (12) é instalado.
7) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela relação das dimensões (M)/(N) de cada aleta (26) estar entre 0,25 e 0,5.
8) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pela distância (K) entre as aletas(26), o comprimento (L) de cada aleta (26) e o número de aletas (26) serem determinados para criar a intensidade do redemoinho de fluxo descendente (18) sem aumentar significativamente a perda de carga através do queimador (12) instalado no canal descendente; a determinação dos três parâmetros (K), (L) e número de aletas (26) depende do diâmetro (D') e área do canal descendente (14), onde o queimador (12) é instalado; quanto maior o diâmetro (D') do canal (14), maior será o diâmetro (D) do anel (24) do queimador (12) e maior o número de palhetas (26).
9) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por formato de cada aleta (26) poder ser plano, curvado, tubular e qualquer outro formato adequado para melhor mistura do gás de combustível com o fluxo de oxidante.
10) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por descarga de gás combustível estar disposta através de pluralidade de aberturas (30) organizadas em grupos (32), alinhadas, e com suas descargas apontadas em direção à parede de cada aleta; cada grupo (32) de aberturas descarrega os jatos de combustível (34) em direção a uma única a leta(26); há um grupo (32) de aberturas para cada aleta (26); parte do fluxo descendente total (18) percorre ao longo da passagem da aleta (26) mistura-se com os cinco jatos de combustível (34) e todos juntos são defletidos de modo a criar um fluxo rotacional a jusante do queimador (12); cada grupo (32) tem pelo menos uma abertura (30), dependendo do diâmetro do anel coletor (24), seção transversal do anel e número de aletas (26) instaladas.
11) "QUEIMADOR DE BAIXA EMISSÃO DE NOx", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por canal descendente cilíndrico (14) ser considerado como uma parte do queimador (12); parte do fluxo descendente (18), defletido pelas aletas (26), é pré-
11 misturada com o gás combustível e adquire movimento rotacional (42) ao longo da superfície cilíndrica do canal descendente (14); nesta região, de comprimento (L) igual a aproximadamente um diâmetro (D') do canal, a corrente é queimada; o gás combustível é uniformemente distribuído em torno da circunferência (46) desse canal, a mistura ocorre rapidamente com oxigênio diluído nos gases inertes, e, como resultado, os picos da temperatura diminuem.
12) "MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO", de acordo com as reivindicações 1 a 11, caracterizado por método compreender as etapas de:
- os jatos de gás de combustível são descarregados a partir da pluralidade de aberturas (30) a serem misturados com um fluxo de oxidante que pode ser predominantemente um fluxo de gases de processo de baixa ou alta temperatura, que circula, por exemplo, em forno (FO) de pelotização de minério de ferro para aquecimento das pelotas durante o processo de sinterização ou endurecimento;
- os jatos de combustível misturados com oxidante formam um jato ou jatos de chama, que estão se misturando e diretamente aquecendo um fluxo de processo circulante;
- um fluxo de processo circulante, que é o fluxo descendente (18) no forno (FO) de pelotização de minério de ferro, contendo nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e vapor de água serão aquecidos até as temperaturas exigidas pelo processo, seguindo através do leito de pelotas de minério de ferro, transferindo o calor exigido para que ocorram as reações químicas e transformações físicas necessárias nas pelotas.
13) "MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PLEOTAS DE MINÉRIO DE FERRO", de acordo com reivindicação 11, caracterizado por parte do fluxo descendente (18) ser defletida, percorrendo através e entre as passagens das aletas, da direção vertical para a direção horizontal, criando um movimento de redemoinho ao longo da circunferência do canal descendente cilíndrico logo a jusante do anel do queimador.
14) "MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE
12
FERRO", de acordo com reivindicação 11, caracterizado por gás combustível ser descarregado a partir das aberturas (30) do anel coletor (24) em uma forma de múltiplos jatos e direcionadas a cada superfície de deflexão da aleta (26).
15) "MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO", de acordo com reivindicação 11, caracterizado por jatos de descarga de gás combustível começarem a misturar com o fluxo de oxidante descendente (18) na superfície da aleta (26).
16) "MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO", de acordo com reivindicação 11, caracterizado por fluxo descendente (18) de oxidante pré-misturado com o gás combustível na superfície da aleta (26) ser descarregado ao canal descendente do forno (FO); a corrente de rotacional (em redemoinho) é auto-inflamada a partir da temperatura de processo e as chamas com componente rotacionais são estabilizadas na superfície interna do canal descendente.
17) "MÉTODO OPERACIONAL DE REDUÇÃO DE FORMAÇÃO DE NOx APLICADO EM PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO OU ENDURECIMENTO DE PELOTAS DE MINÉRIO DE FERRO", de acordo com reivindicação 11, caracterizado por gás combustível uniformemente distribuído em torno da circunferência do canal descendente sendo misturado rapidamente com o oxigênio diluído nos gases inertes, e obtendo, como resultado, redução significativo de picos de temperatura e consequentemente redução da formação de NOX no processo de combustão.
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