BRPI0905623B1

BRPI0905623B1 - método de combustão de pelo menos um combustível e uso do método de combustão

Info

Publication number: BRPI0905623B1
Application number: BRPI0905623A
Authority: BR
Inventors: Sanchez-Molinero Ivan; Laurent Jacky; Mulon Jacques; Jean-Marie Recourt Patrick; Pierre Tsiava Rémi; Paubel Xavier
Original assignee: Air Liquide
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2020-04-07
Also published as: WO2009090232A1; EP2232137B1; CA2712297A1; EP2232137A1; CN101910724A; US20100282185A1; ES2751145T3; CN101910724B; EP2080952A1; CA2712297C; BRPI0905623A2

Abstract

método de combustão de pelo menos um combustível e uso do método de combustão a invenção relaciona-se a um método de combustão de um combustível usando-se um gás contendo oxigênio e pelo menos um gás principalmente inerte, em que: - o referido gás contendo oxigênio compreende pelo menos 80% de oxigênio em volume, - o referido combustível e o referido gás contendo oxigênio são injetados de tal forma a criar uma chama, - o referido gás principalmente inerte é injetado de forma contínua e circundante à chama criada pelo referido combustível e o referido gás contendo oxigênio e que possui uma espira divergente em relação à chama.

Description

MÉTODO DE COMBUSTÃO DE PELO MENOS UM COMBUSTÍVEL E USO DO MÉTODO DE COMBUSTÃO

A presente invenção relaciona-se a um queimador e a um método de combustão que pode fazer uso de um gás com alto conteúdo de oxigênio.

Com as restrições ambientais progressivamente severas, particularmente em termo da produção de CO2 e NOx, a combustão de um combustível que usa oxigênio ou um gás de alto conteúdo de oxigênio está se tornando progressivamente atrativa para a combustão de combustíveis fósseis em todos os tipos de campos industriais, onde fluidos térmicos tal como vapor, água quente ou óleo quente, e/ou eletricidade e/ou trabalho mecânicos são necessários. Entretanto, os dispositivos de combustão convencionais que usam ar como agente oxidante não tem sempre a geometria, nem os materiais necessários, para operar com oxigênio ou um gás de alto conteúdo de oxigênio. Isto se dá porque a ausência de lastro de nitrogênio na combustão com alto conteúdo de

oxigênio ou	com	100%	de	oxigênio modifica	de forma
significativa	os	modos	de	transferência	de	calor, as
concentrações	de	espécies,	e as condições	de	pressão na

câmara de combustão.

A fim de operar com combustão com 100% de oxigênio nestas instalações, uma solução proposta foi reinjetar gás de combustão produzido pela referida combustão ou outra combustão para compensar parcialmente a ausência de nitrogênio. Este procedimento serve para evitar uma alta produção de NOx devido tanto à ausência de nitrogênio, quanto também a uma temperatura de chama menor que na combustão com 100% de oxigênio. Entretanto, o gás de

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2/12 combustão reinjetado sempre anula os benefícios da oxicombustão, tal como, particularmente, a menor proporção de não queimados” a partir de resíduos de óleo pesados, ou a diminuição da parte de cinzas, estes não queimados” e esta cinza deste modo causando complicações no método de tratamento de gás de combustão na direção do fluxo.

Esta injeção de gás de combustão pode ser feita essencialmente de duas formas. Primeira, misturando-se o referido gás de combustão com oxigênio antes de sua introdução dentro do queimador, de modo a reconstituir um agente oxidante compreendendo cerca de 21 a 27% de oxigênio e o restante consistindo essencialmente de CO2 no lugar de nitrogênio. Uma vantagem que pode ser encontrada para esta solução no caso de uma conversão de uma caldeira de ar é a possibilidade de reter os queimadores de ar com menores ajustes de operação. Do contrário, a pré-misturação dos gases de combustão com oxigênio antes de sua introdução dentro do queimador pode dar origem a problemas de segurança. Para evitar este problema, em uma segunda alternativa, o gás de combustão pode também ser injetado separadamente, ou em um local da câmara de combustão, ou através do queimador. No último caso, o gás de combustão é injetado a uma velocidade de forma a alongar a chama, que pode superaquecer os elementos da câmara de combustão (parede oposta ou tubos, no caso de uma caldeira) . Para evitar estes problemas, as velocidades e injeção de gás de combustão devem ser baixas, as quais possuem o efeito de aumentar o tamanho do queimador e de criar problemas de projeto, apesar de ser bem conhecido que as áreas de superfície da câmara de combustão devem ser maximizadas.

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Os problemas precedentes implicam portanto na necessidade de melhorar os métodos dos queimadores de oxicombustão que fazem uso de reciclagem de gás de combustão.

Além disso, a prática demonstra a utilidade de ser capaz de usar os queimadores de combustão no modo flexível, isto é, alternadamente na oxicombustão e na combustão a ar. De realidade, devido às restrições na disponibilidade e/ou problemas de segurança, pode ser útil ser capaz de converter uma oxicombustão em combustão a ar sem substituir o queimador. Similarmente, para certos tipos de combustão, é preferível começar a combustão com ar e então mudar para oxicombustão por razões de segurança.

É portanto o objetivo da presente invenção propor um dispositivo adequado para implementar uma oxicombustão com reciclagem de gás de combustão em um dispositivo projetado para uma combustão a ar.

Um objetivo adicional da presente invenção é propor um dispositivo de combustão adequado para implementar uma oxicombustão com reciclagem de gás de combustão.

Um objetivo adicional da presente invenção é propor um dispositivo de combustão adequado para implementar uma oxicombustão com reciclagem de gás de combustão, as referidas combustões produzindo uma chama que possui um tamanho controlado.

Para este propósito, a invenção relaciona-se a um método de combustão de pelo menos um combustível usando-se pelo menos um gás contendo oxigênio e pelo menos um gás principalmente inerte, em que:

- o referido gás contendo oxigênio compreende pelo

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4/12 menos 80% de oxigênio em volume,

- o referido combustível e o referido gás contendo oxigênio são injetados de forma a criar uma chama,

- o referido gás principalmente inerte é injetado de forma contínua a e que cerque a chama criada pelo referido combustível e o referido gás contendo oxigênio e que tenha uma espiral divergente em relação à chama.

Outras características e vantagens da invenção tornarse-ão aparentes a partir de uma leitura da descrição que segue. As modalidades da invenção são fornecidas como exemplos não limitantes, ilustrados pela Figura 1 que é uma vista esquemática de um queimador de acordo com a invenção.

O método de acordo com a invenção implementa a principal combustão de um combustível por um gás contendo oxigênio. O combustível pode ser qualquer líquido, sólido, mistura semifluida ou emulsão gasosa ou qualquer combinação destes. Se ele é um gás, o combustível pode ser, mas não está limitado a gás natural, gás de mineração, gás da combustão de carvão, gás de alto-forno, gás de refinaria, gás de calefação baixa, combinação sólido gaseificado, ou gás de síntese. Se ele é um líquido, o combustível pode ser, mas não está limitado a óleo diesel, querosene, betume, óleo residual de refinaria ou óleo bruto. Se ele é um sólido, o combustível pode ser, mas não está limitado a carvão, coque, coque de petróleo, biomassa, turfa, betume sólido, ou resíduo de refinaria sólido. Estes vários tipos de combustíveis são injetados de modo a formar uma chama com o gás contendo oxigênio. As injeções do combustível ou combustíveis e o gás contendo oxigênio podem ser feitas de qualquer maneira conhecida por uma pessoa habilitada na

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5/12 técnica a fim de produzir uma chama. De acordo com o método da invenção, um gás principalmente inerte é também injetado. O gás principalmente inerte compreende pelo menos um dos seguintes compostos: CO2, H2O, Ar, em uma quantidade molar de pelo menos 50%. O gás principalmente inerte pode ser ou compreender um gás de combustão.

O gás principalmente inerte é preferivelmente injetado na forma de um único jato. Este jato único circunda a chama criada pelo combustível e o gás contendo oxigênio. No contexto da presente invenção, circundar significa o fato de que este jato constituído principalmente de gás inerte cerca a chama central do combustível e o gás contendo oxigênio. De acordo com uma modalidade preferida, o jato de gás principalmente inerte possui a forma de um anel centralizado na chama de combustível e gás contendo oxigênio.

De acordo com a invenção, o jato periférico único possui uma espiral divergente em relação à chama de combustível e gás contendo oxigênio. No contexto da presente invenção, espira de um jato significa um movimento em espiral do jato sobre si mesmo. O único jato periférico é portanto uma espiralização do jato sobre si mesmo. Uma vez que o referido jato circunda a chama do combustível e o gás contendo oxigênio, o referido único jato periférico está também se espiralando sobre a referida chama. De acordo com a invenção, esta espiralização é divergente, isto é, no único jato periférico, o gás principalmente inerte move-se para longe da chama do combustível e gás contendo oxigênio à medida que ele é injetado.

Para o único jato periférico, a taxa de espiralização

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6/12 de cada um destes jatos do gás principalmente inerte está vantajosamente entre 0,26 e 1,73. A taxa de espiralização S é definida como segue: S = It/Ia, onde It e Ia são respectivamente os pulsos tangencial e axial dos fluidos espiralados em um jato.

O método é particularmente adequado para uso em caldeiras. No contexto da presente invenção, o gás contendo oxigênio significa preferivelmente um gás possuindo uma concentração de oxigênio acima de 90% em volume. De acordo com esta modalidade, o agente oxidante é um gás contendo oxigênio e o gás principalmente inerte é composto de gases de combustão a partir de uma combustão. Os gases de combustão a partir de uma combustão geralmente compreendem, principalmente, se não exclusivamente, CO2. Estes gases podem também compreender H2O. Preferivelmente, o gás principalmente inerte consiste pelo menos parcialmente dos gases expelidos da combustão do presente método e que são reciclados durante o método de combustão. Neste caso, os gases de combustão são reciclados fora da câmara de combustão em que o presente método é implementado. Eles podem ser tratados antes de serem reciclados. Em geral, pelo menos 4 m³ padrão de gases de combustão são reciclados durante o método de acordo com a invenção. De acordo com esta modalidade, é preferível para a taxa de fluxo do gás principalmente inerte injetado dentro do jato periférico único de gás principalmente inerte responsabilizar-se por 100% do taxa de fluxo total do gás principalmente inerte injetado. Além disso, os gases expelidos da combustão injetados na forma do jato periférico único não atrapalham a chama expelida da combustão do combustível e do gás

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7/12 contendo oxigênio, mas cria um corredor próximo ao bico do queimador que protege as paredes da câmara de combustão da radiação excessivamente intensa. Além do bico do queimador, os gases expelidos de uma combustão e injetados na forma do jato periférico único e os gases quentes que saem da combustão real do método, são misturados para formar apenas uma mistura uniforme. De acordo com uma primeira modalidade, os gases que saem de uma combustão podem também ser injetados dentro de pelo menos um pouco da câmara de combustão que é diferente dos pontos de injeção do jato periférico único.

A invenção também se relaciona a um queimador adequado para implementar o referido método, que compreende:

- pelo menos um meio para injetar o referido combustível e pelo menos um meio para injetar o referido gás contendo oxigênio compreendendo pelo menos 80% de oxigênio em volume, o referido meio sendo colocado em relação a um outro de tal forma que o gás contendo o oxigênio e o combustível sejam capazes de produzir uma chama,

- um meio para injetar o referido gás principalmente inerte,

- o referido meio para injetar o referido gás principalmente inerte sendo adequado para injetá-lo na forma de um jato contínuo a e circundando a chama produzida pelo referido gás contendo oxigênio e o referido combustível, e o referido meio para injetar o referido gás principalmente inerte compreendendo um meio adequado para espiralar de forma divergente o fluxo do referido gás principalmente inerte que passa através dele.

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O queimador de acordo com a invenção portanto compreende uma primeira parte central compreendendo pelo menos um meio para injetar combustível e pelo menos um meio para injetar o gás contendo oxigênio. Estes dois meios de injeção devem ser posicionados entre de tal forma que o gás contendo oxigênio e combustível são capazes de produzir uma chama quando o queimador entra em operação. Assim, os meios para injetar combustível e gás contendo oxigênio podem ser tubos coaxiais ou tubos separados. Qualquer técnica conhecida para injetar combustível e gás contendo oxigênio em fim de formar uma chama pode ser usada.

O queimador pode compreender uma segunda parte periférica consistindo de um meio para injetar principalmente gás inerte. Preferivelmente, um meio adequado para espirar de forma divergente os fluxos do gás principalmente inerte que passa através do meio de injeção faz com que o referido fluxo se espiralize com uma taxa de espiralização entre 0,26 e 1,73. O referido meio adequado para espiralização divergente é geralmente um defletor.

De acordo com uma modalidade particular, o queimador é tal que:

- o meio para injetar o gás principalmente inerte compreende dois tubos coaxiais centralizados ao redor do meio para injetar combustível e o meio para injetar um gás contendo oxigênio, o espaço entre os dois tubos permitindo a passagem de parte do gás principalmente inerte e compreendendo um meio adequado para espiralar de forma divergente o fluxo do gás principalmente inerte que passa através dele.

De acordo com esta modalidade particular, o queimador

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9/12 pode também compreender dois meios para injetar gás contendo oxigênio, o referido meio sendo tubos coaxiais, e o meio para injetar combustível pode ser um anel metálico perfurado com pelo menos um anel de orifícios, o referido anel metálico sendo coaxial com os tubos de injeção de gás contendo oxigênio e colocado entre os referidos tubos. O queimador é então composto de quatro tubos coaxiais e o anel metálico perfurado com orifícios disposto em um anel, o referido anel sendo colocado entre o menor tubo e o tubo que possui o diâmetro imediatamente maior.

De acordo com a invenção, o queimador pode compreender dois meios distintos para injetar combustível para a injeção de dois diferentes combustíveis.

A Figura 1 mostra a extremidade de um queimador de acordo com a invenção. Ele compreende uma primeira parte central consistindo de:

- meio de injeção de combustível (1) que é um tubo,

- meio de injeção de gás contendo oxigênio (2) que compreende dois tubos (21 e 22): o (21) é colocado no centro do tubo de injeção de combustível e o outro (22) ao redor do mesmo tubo de injeção de combustível (1).

O queimador também compreende uma segunda parte que é um meio para injetar gás principalmente inerte; ele compreende dois tubos coaxiais (22, 31), centralizados na primeira parte central, o menor tubo correspondendo ao tubo (22) para injetar o combustível (1). O espaço entre o tubo intermediário (31) e o menor tubo (22) compreende meios (5) (barbatanas) adequados para espiralar de forma divergente o fluxo de gás principalmente inerte que passa através dele.

Uma vantagem da invenção é que ela pode servir para

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10/12 modificar um queimador que normalmente opera com ar de tal forma que ele opera com gás contendo oxigênio e gases de combustão contendo oxigênio. É suficiente para suplementar o queimador a ar correspondendo à primeira parte do queimador de acordo com a invenção com a segunda parte do queimador de acordo com a invenção adequado para injetar gases de combustão reciclados. O gás contendo oxigênio é então injetado na primeira parte do queimador e os gases de combustão são injetados dentro da segunda parte.

Uma vantagem do queimador e do método de combustão de acordo com a invenção é que eles produzem uma chama possuindo um tamanho controlado, que é útil em recipientes confinados, tais como câmaras de combustão de caldeiras em que o contato direto da chama excessivamente longa com tubos de aço expostos é fatal. Neste último caso, a geometria da chama produzida pelo queimador de acordo com a invenção permite uma distribuição uniforme do fluxo de calor em todas as superfícies internas da caldeira; uma caldeira equipada com este queimador operando em oxicombustão pode resistir uma densidade de energia de até 0,600 MW/m³ dependendo da proporção de gás de combustão reciclado.

Uma vantagem adicional do queimador e do método de combustão de acordo com a invenção operando com um gás contendo oxigênio, é que eles produzem uma chama possuindo alta temperatura central, assim não queimas” são significativamente diminuídas.

Esta invenção pode compreender uma ou mais das seguintes características:

O combustível pode ser gasoso, líquido, sólido, uma

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11/12 mistura semifluida, uma emulsão, sólido em suspensão gasosa, ou qualquer combinação destes. Três ou mais combustíveis diferentes podem ser simultaneamente injetados. O combustível é injetado através de dois ou mais orifícios e os gases contendo oxigênio injetados através de dois ou mais orifícios. Os gases contendo oxigênio injetados através de dois ou mais orifícios. A injeção dos gases contendo oxigênio é dividida em fases, oxigênio primário e secundário. Um único conjunto de orifícios pode ser utilizado para injetar dois ou mais combustíveis diferentes. A temperatura do gás de combustão é mantida a uma temperatura maior que a temperatura do ponto de condensação do ácido.

A queda de pressão que ou a corrente de combustível, corrente de gás contendo oxigênio, ou ambas, experimenta na passagem pelo queimador pode ser não maior que 20 KPa. A queda de pressão que o gás principalmente inerte experimente quando passa através do queimador pode estar entre 400 Pa e 1000 Pa. O meio de injeção do gás principalmente inerte pode ser fabricado a partir de HR 160, ou uma outra liga tipo Hastelloy, se o combustível possuir um alto conteúdo de enxofre. O meio de injeção do gás principalmente inerte pode ser fabricado a partir aço inoxidável 316 se o combustível é relativamente livre de enxofre. O meio para injetar agente oxidante e combustível pode ser fabricado a partir de Inconel 600. Uma caldeira pode compreender pelo menos um queimador de acordo com este projeto.

O agente oxidante é um gás contendo oxigênio e o gás principalmente inerte é composto de gases que são expelidos

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12/12 de uma combustão do referido método e reciclado, onde a taxa de reciclagem varia de 0,1 a 5,0, preferivelmente 1,5. Neste documento, a taxa de reciclagem é definida como a relação (x/y) da taxa de fluxo do volume do gás de combustão que é reciclado (x) pela taxa de fluxo do volume de gás de combustão que sai do sistema através da chaminé (y) .

Em uma outra modalidade, o método de combustão de acordo com a invenção é usado para produzir pelo menos um 10 fluido térmico, por exemplo, vapor, água quente ou óleo quente e/ou eletricidade e/ou trabalho mecânico.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de combustão de pelo menos um combustível usando pelo menos um gás contendo oxigênio e pelo menos um gás principalmente inerte, caracterizado pelo fato de que:

o referido gás contendo oxigênio compreende pelo menos 80% de oxigênio em volume, o referido gás principalmente inerte compreende pelo menos um dos seguintes compostos: CO2, H2O, Ar, em uma quantidade molar de pelo menos 50%, por meio de que:

- o referido combustível e o referido gás contendo oxigênio são injetados de forma a criar uma chama,

- o referido gás principalmente inerte é injetado de forma contínua a e que cerque a chama criada pelo referido combustível e o referido gás contendo oxigênio e que tenha uma espiral divergente em relação à chama.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível pode ser gasoso, líquido, sólido, uma mistura semifluida, uma emulsão, sólido em suspensão gasosa, ou qualquer combinação destes.
3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que 3 ou mais combustíveis diferentes podem ser simultaneamente injetados.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que os gases que contêm oxigênio são injetados através de dois ou mais orifícios.
5. Método, de acordo com qualquer uma das

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2/2 reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o combustível é injetado através de dois ou mais orifícios.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a injeção dos gases contendo oxigênio é dividida em fases, oxigênio primário e secundário.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que um único conjunto de orifícios pode ser utilizado para injetar dois ou mais combustíveis diferentes.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o gás principalmente inerte compreende ou é um gás de combustão.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os gases contendo oxigênio possuem uma concentração de oxigênio acima de 90% em volume.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o gás principalmente inerte é composto de gases que são expelidos de uma combustão do referido método e reciclado, onde a taxa de reciclagem varia de 0,1 a 5,0, preferivelmente 1,5.
11. Uso do método de combustão, como definido nas reivindicações 1 a 10, caracterizado por ter por objetivo produzir pelo menos um fluido térmico, por exemplo, vapor, água quente ou óleo quente e/ou eletricidade e/ou trabalho mecânico.