BRPI1100657A2 - mÉtodo de combustço de combustÍvel - Google Patents

Abstract

MÉTODO DE COMBUSTçO DE COMBUSTÍVEL. Método de combustão de combustível usando um queimador a ar (1) existente, qual queimador a ar (1) compreende uma primeira abertura de alimentação (5) para combustível e uma segunda abertura de alimentação (7) para ar, quais aberturas de alimentação (5, 7) se comunicam com uma zona de combustão (3). A presente invenção se caracteriza pelo fato de um combustível gasoso, com Valor de Aquecimento Inferior (LHV) menor que 7,5 MJ/Nm^3^, ser suprido através da segunda abertura de alimentação (7), e de um oxidante, compreendendo pelo menos 85% em peso de oxigênio, também ser suprido à zona de combustão (3) por meio de um dispositivo de alimentação de oxidante, e de o combustível gasoso, junto com oxidante, ser queimado na zona de combustão.

Description

"MÉTODO DE COMBUSTÃO DE COMBUSTÍVEL"

A presente invenção se relaciona a um método para combustão de combustível em um forno. Especificamente, a presente invenção se relaciona a um método de combustão de um combustível de grau baixo em um forno.

Em instalações, nas quais utilizam-se fornos industriais para produzir aço e outros metais, freqüentemente vários tipos de combustível gasoso de grau baixo são obtidos como sub-produtos, tal como, em um «exemplo, gás presente na porção superior do alto-forno (top-gas) que são usados na produção de aço, ou, em outro exemplo, gás de conversor (off-gas). Tais combustíveis de grau baixo tipicamente compreendem uma mistura de hidrocarbonetos, nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, monóxido de carbono, e vapor de água. Em razão da densidade de energia freqüentemente limitada dos combustíveis de grau baixo, usualmente estes combustíveis são usados em processos de baixa temperatura, tal como em instalações de aquecimento, ou usinas elétricas. Alternativamente, estes combustíveis de grau baixo são misturados com outros combustíveis de grau médio e alto, com maior densidade de energia. Uma vez que tais combustíveis de grau baixo freqüentemente são produzidos em abundância em usinas de aço, por exemplo, resultando comparativamente baratos, por conseguinte, seria desejável que fossem usados mais extensivamente, incluindo processos de alta temperatura, para cujos processos, correntemente, são requeridos combustíveis de grau alto. Hoje em dia, os combustíveis de grau baixo freqüentemente são meramente queimados e despejados na atmosfera sem proveito.

A presente invenção aborda os problemas acima descritos. Assim, a presente invenção se relaciona a um método de combustão de combustível, usando um queimador existente, qual queimador compreende uma primeira abertura de alimentação de combustível e uma segunda abertura de alimentação de ar, quais aberturas se comunicam com uma zona de combustão, e qual método se caracteriza pelo fato de um combustível gasoso com um Valor de Aquecimento Inferior (LHV de Lower Heating Value) menor que 7,5 MJ/ Nm3 ser suprido através da segunda abertura de alimentação, e de um oxidante, compreendendo pelo menos 85% em peso de oxigênio ser também suprido à zona de combustão através de um dispositivo de alimentação de oxidante, e de o combustível gasoso ser queimado junto com o oxidante na zona de combustão.

A seguir a presente invenção será descrita em detalhes, fazendo referência a configurações exemplares e desenhos anexos, nos quais:

A figura 1 traz diagrama de contorno de um queimador a ar usando o método de acordo com a presente invenção; e A figura 2 traz um diagrama de contorno de um alto-forno e forno industrial instalados na mesma usina.-

Assim, a figura 1 ilustra um queimador a ar 1 convencional que, em uma operação convencional, é usado para aquecer um forno industrial. 0 queimador a. ar 1 é montado era uma' parede de forno 2 de um forno industrial. Em uma operação convencional, o queimador a ar 1 é arranjado para queimar um combustível na zona de combustão com um oxidante, que é ar. Durante operação convencional, o combustível é suprido ao queimador a ar por um duto de alimentação 4, e daí para a zona de combustão 3, através de uma abertura de alimentação de combustível 5. 0 ar é suprido, de maneira correspondente, através do respectivo duto de alimentação 6 e respectivas aberturas de alimentação de ar 7.

0 queimador a ar 1 também pode ser projetado de outras maneiras, quais desenhos são convencionais per se, tal como usando uma ou diversas aberturas de alimentação para ar. 0 combustível usado em uma operação convencional pode ser quer um combustível gasoso ou líquido. O combustível convencional consiste de um combustível de grau médio ou grau alto, tal como gás liqüefeito de petróleo, gás natural, ou gás de coque.

Assim, a presente invenção não se limita às configurações descritas, mas, ao invés, quais configurações podem variar amplamente dentro do escopo das reivindicações. A Tabela 1 traz uma comparação de conteúdo típico de vários constituintes entre, de um lado, um combustível de grau médio, tal como gás de coqueria (coke-owen gas) e, de outro lado, um combustível de grau baixo, tal como gás presente na porção superior do alto-forno (top-gas) e gás de conversor (off-gas). Todos valores sendo dados em porcentagem em volume._

N2 02 H2 CO C02 CH4 CmHn H20 Gás de coqueria 3,5 0, 55 60 7,5 2,35 23,5 24 0,2 Gás de alto forno 52, 5 0, 55 2,3 23, 5 20 1,15 Gás de conversor 17, 2 0,1 2,5 64, 5 15, 6 0,1

A Tabela 2 traz uma comparação entre Valores de Aquecimento Inferior para gás de coqueria, gás de alto- forno, e gás de conversor.__

LHV (MJ·/Nmj) HHV (MJ/kg) Gás de coque 17, 9 8,2 Gás de alto forno 3,2 4,3 Gás de conversor 7,5 10, 4

De acordo com. a presente invenção, o queimador a ar convencional 1 opera com combustível gasoso, com Valor de Aquecimento Inferior igual ou menor que 7,5 MJ/ Nm3. O combustível pode compreender uma certa admistura com outro combustível de grau mais alto, desde que o Valor de Aquecimento Inferior da mistura não exceda 7,5 MJ/ Nm3. Contudo, por razões de custo, prefere-se não admisturar 2 0 combustíveis de grau alto antes da combustão.

Para compensar o Valor de Aquecimento Inferior do combustível proposto em relação ao combustível convencional, o queimador a ar 1 convencional não opera usando ar como oxidante, mas com um oxidante tendo um conteúdo de oxigênio mais alto que o ar. Preferivelmente, o oxidante compreende pelo menos 85% em peso, e, mais preferivelmente, pelo menos 95% em peso.

Queimando um combustível gasoso de grau baixo junto com tal oxidante, temperaturas de chama e volumes de gás de combustão (flue-gas), correspondendo essencialmente às temperaturas de chama e volume de gás produzidas em uma combustão convencional de um combustível de grau alto, podem ser conseguidas na correspondente energia de combustão. Com isto, combustíveis baratos de grau baixo, tal como o gás de alto-forno, em um processo adequado, podem ser usados para aquecer um forno industrial. É preferível, em particular para o caso de gás de alto- forno, que a quantidade de combustível suprida per unidade de tempo corresponda essencialmente à quantidade de ar suprida em uma operação convencional do queimador a ar. Em outras palavras, é preferível que a quantidade de volume de combustível de grau baixo, suprida per unidade de tempo em uma certa pré-determinada energia de combustão, fique entre meia vez a duas vezes, mais preferivelmente de meia vez a vez e meia a quantidade de volume de ar usada em uma operação convencional do queimador a ar, suprindo a mesma energia de combustão. É especialmente preferível que a quantidade de combustível de grau baixo suprida per unidade de tempo em uma certa pré-determinada energia de combustão seja igual à quantidade (± 10% de volume de ar) suprida em uma operação convencional de um queimador a ar provendo a mesma energia de combustão.

De acordo com a presente invenção, o combustível de grau baixo é suprido à zona de combustão através da abertura de alimentação convencional de ar 7. Também é preferível, embora de forma não necessária, que 'a alimentação para abertura de alimentação de ar 7 seja feita através do duto de alimentação de ar 6 existente. Uma vez que o fluxo de volume do combustível de grau baixo é relativamente próximo ao fluxo de ar per unidade de energia durante a combustão de combustível de grau alto convencional, o duto de alimentação convencional 6 e aberturas de alimentação convencional 7 pode ser usado sem precisar implementar nenhuma modificação mais importante, e possivelmente mesmo sem nenhuma modificação. Isto deriva do fato de o queimador a ar convencional 1 poder ser convertido ao uso de um combustível de grau baixo mais barato, ao invés de um combustível de grau alto convencional mais caro, sem requerer nenhum trabalho adicional de instalação. Ademais, isto resulta na possibilidade de uma operação flexível, dependendo do acesso a vários tipos de combustível.

O oxidante também é suprido à zona de combustão 3, e o combustível de grau baixo é queimado junto com oxidante.

De acordo com uma primeira configuração preferida, o oxidante é suprido através da abertura de alimentação existente de combustível 5, preferive.lm.ente através dõ' duto de alimentação de combustível 4 existente. De acordo com uma segunda configuração preferida, o oxidante é suprido à zona de combustão 3 por um- dispositivo de alimentação 6 adicional, cuja abertura de alimentação é arranjada a uma distância de ambas, abertura de alimentação de combustível 5 e abertura de alimentação de ar 7, existentes, preferivelmente arranjada a uma distância do orifício do queimador a ar. Isto provê a vantagem de aquele um queimador a ar existente poder ser adaptado para produzir quer uma chama normal ou combustão sem chama, arranjando diversos pontos de injeção diferentes para alimentação de oxidante à zona de combustão 3.

De acordo com uma terceira configuração preferida, o oxidante é suprido parcialmente através da abertura de alimentação de combustível 5 existente e suplementado por uma alimentação adicional pelo dispositivo de alimentação 8, que deve ser suficientemente grande para prover a condição estequiométrica desejada para a zona de combustão 3.

É preferível que o oxidante seja suprido através de uma lança adaptada para alimentação de oxidante. Esta lança pode ser arranjada, por exemplo, dentro do duto de alimentação de combustível 4 e abrindo em um lugar próximo da abertura de alimentação de combustível 5. Alternativamente ou adicionalmente, o dispositivo de alimentação 8 adicionalmente arranjado pode compreender tal lança.

Ademais, é preferível que um combustível de grau alto ou médio seja injetado na zona de combustão 3 em uma etapa inicial da operação do queimador 1, de acordo com a presente invenção, e inflamado para iniciar a reação de combustão entre o combustível de grau baixo e oxidante. A injeção pode ser feita através do queimador a ar 1 existente, por exemplo, via abertura de alimentação de ar 7 ou abertura de alimentação de combustível 5 existentes. Também é preferível, no caso de o queimador a ar 1 compreender recuperador (não mostrado), convencional per si, para recuperar energia térmica através do pré- aquecimento do ar de combustão suprido pela abertura de alimentação 7, em vista de o recuperador em operação, de acordo com a presente invenção, ser conectado ao fluxo de combustível de grau baixo, de modo a pré-aquecer o combustível. Isto provê uma maior economia de combustão sem precisar implementar nenhuma instalação adicional geradora de custo. A figura 2 ilustra esquematicamente um forno industrial 14, aquecido através de um queimador a ar convencional 1. Em operação, de acordo com uma configuração preferida da presente invenção, um oxidante, tendo um conteúdo elevado de oxigênio, é alimentado do dispositivo de alimentação de oxidante 14 para o queimador 1, através do duto 13, e suprido à zona de combustão 3, como descrito acima. 0 combustível é suprido ao queimador 1 através de um outro duto 11 a partir do alto-forno 10. O combustível suprido do alto-forno 10 consiste de gás de alto-forno produzido na operação do alto-forno 10. Possivelmente, o gás de alto-forno é misturado com um combustível gasoso adicional, preferivelmente um ou mais combustíveis de grau baixo. É preferível que pelo menos metade da energia de combustão suprida a partir do queimador 1 se origine do gás de alto-forno.

Ademais, é preferível que pelo menos metade ou mais, e preferivelmente todo combustível de grau baixo queimado no queimador 1, seja ou tenha sido produzido e, portanto se origine da operação de um equipamento instalado na mesma instalação industrial, como a instalação na qual o queimador 1 se encontra. É especialmente preferido que o combustível consista de um gás de alto-forno que se origine da operação de um alto-forno 10 arranjado na mesma instalação industrial do queimador 1.

Este método resulta que a recaptura de energia seja feita na mesma instalação, e também que o custo total das operações da instalação seja mantido baixo, e que a necessidade de transporte seja reduzida.

É preferível que o queimador 1 seja operado para aquecer um forno industrial 14 a uma temperatura acima de 500°G, preferívelme η t e acima de TOO0C, e mais preferivelmente acima de 800°C. Também é preferível que o forno industrial 14 seja operado em diversas etapas para produção ou tratamento de um metal, preferivelmente aço. É especialmente preferido que o forno industrial 14 constitua ou compreenda um forno de fluxo corrente, linha de recozimento, ou pré-aquecimento de caçamba.

De acordo com a presente invenção, o queimador a ar 1 não opera com combustível de grau médio e grau alto, mas, ao invés, usa um combustível gasoso de grau baixo, tal como gás de alto-forno. Acima, as configurações preferidas foram descritas, no entanto, deve ser aparente àqueles habilitados na técnica que um número de modificações poderá ser introduzido às configurações descritas, sem sair do conceito inventivo. Para efeito de exemplo, diversos tipos diferentes de unidades, de classes similares a alto-forno, que gerem combustíveis gasosos de grau baixo, podem ser conectados a um ou diversos queimadores a Assim, a presente invenção não descritas mas pode variar reivindicações anexas. ar.

se limita às configuraçõe dentro do escopo da

Claims (10)

1. Método de combustão de um combustível, usando um queimador a ar existente (1), o qual compreende uma primeira abertura de alimentação de combustível (5), e uma segunda abertura de alimentação de ar (7), tais aberturas de alimentação de combustível e ar (5, 7) sendo abertas em uma zona de combustão (3), dito método sendo caracterizado pelo fato de um combustível gasoso, tendo um Valor de Aquecimento Inferior (LHV) menor que 7,5 MJ/Nm3, ser suprido através da segunda abertura de alimentação (7), e de um oxidante compreendendo pelo menos 85% em peso de oxigênio também ser suprido à zona de combustão (3) através de um dispositivo de alimentação para oxidante, e no qual o combustível gasoso é levado a combustão com oxidante na zona de combustão (3).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dispositivo de alimentação para oxidante compreender uma lança adaptada para, fornecer um oxidante..

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de uma lança ser arranjada a uma distância de ambas primeira e segunda aberturas (5, 7) no queimador a ar (1), e de o oxidante ser suprido, parcial ou totalmente através da citada lança.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de o dispositivo de alimentação de oxidante ser arranjado de modo que o oxidante seja suprido parcial ou totalmente através da primeira abertura de alimentação de combustível (5) existente no queimador a ar (1).

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de a reação de combustão entre o oxidante e um combustível de grau baixo ser usada para aquecer um forno industrial (14) .

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de a quantidade de combustível suprida per unidade de tempo em uma pré-determinada energia, corresponder à quantidade de ar suprida qué é fornecida per unidade de tempo durante operação convencional do queimador a ar (1).

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de, em uma etapa inicial, um combustível de alto grau ou médio grau ser introduzido através do queimador a ar (1) e queimado na zona de combustão (3) , de modo que a combustão do combustível de grau baixo seja iniciada.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de pelo menos metade do combustível consistir de gás recolhido da porção superior do alto-forno (10).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fâto de o gás de combustão originar da operação de um alto-forno (1) arranjado na mesma instalação industrial do queimador a ar (1).

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de um recuperador existente, o qual durante a operação normal do queimador de ar (1), é utilizado para pré-aquecer o ar de combustão, ao invés, de ser usado para pré-aquecer o combustível.