BRPI0606878A2

BRPI0606878A2 - método e sistema de combustão

Info

Publication number: BRPI0606878A2
Application number: BRPI0606878-2A
Authority: BR
Inventors: Zhen Jia; Taofang Zeng; Xiaoguang Jia; Xing Li
Original assignee: Clean Comb Technologies Llc
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2010-04-13
Also published as: JP5068183B2; ZA200707346B; CN2763701Y; JP2008531967A; RU2007134755A; MX2007010342A; US20080250990A1; US20060191451A1; US7913632B2; IN266745B

Abstract

MéTODO E SISTEMA DE COMBUSTãO. Um método de combustão para um combustível de hidrocarboneto pulverizado inclui as etapas de injeção de uma corrente de ar / combustível em um queimador, causando uma zona de pressão baixa; direcionamento de um fluxo de um gás de combustão à alta temperatura a partir de uma câmara de combustão para a zona de pressão baixa no queimador; mistura do gás de combustão à alta temperatura com a corrente de ar / combustível injetada para aquecimento da corrente de ar / combustível injetada, e injeção da corrente de ar / combustível aquecida a partir do queimador para a câmara de combustão, onde a corrente de ar / combustível é rapidamente desvolatilizada e queimada em uma chama que tem uma alta temperatura; detecção de um parâmetro de combustão; e, com base no parâmetro de combustão detectado, controle da combustão para a obtenção de pelo menos uma dentre uma redução desejada de NOx e uma distância desejada a partir do queimador para uma frente de chama.

Description

MÉTODO E SISTEMA DE COMBUSTÃO

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um método de combustão e a um sistema de combustão para um combustível de hidrocarboneto sólido.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Um combustível fóssil sólido, tal como carvão, é uma fonte de energia importante, particularmente para geração de potência. Os poluentes emitidos a partir da combustão de carvão, contudo, são uma grande fonte de poluição do ar. Dos poluentes da combustão de carvão, os óxidos de nitrogênio (NOx) atraíram atenção extensiva.

Há duas fontes primárias de NOx gerado durante uma combustão: NOx combustível e NOx térmico. O NOx combustível é o NOx formado devido à conversão de nitrogênio ligado quimicamente (nitrogênio combustível) durante uma combustão. O nitrogênio combustível (ou char-N (nitrogênio removido da matriz de carvão durante a oxidação de carbonização)) é liberado em vários processos de combustão complexos. O produto inicial primário de combustão é HCN ou NH3. O HCN é oxidado para NO ou reduzido para N2. Se os gases forem oxidantes ou o combustível for pobre, o NO será o produto dominante de nitrogênio combustível. Se ele for um combustível rico, o HCN será reduzido para N2 por CO ou C (char) na superfície de carbonização de carvão.

O NOx térmico se refere a NOx formado a partir da oxidação à alta temperatura de nitrogênio atmosférico. A formação de NOx térmico é uma função exponencial da temperatura e uma função de raiz quadrada da concentração de oxigênio. Uma temperatura de combustão mais baixa ou uma concentração de oxigênio mais baixa produz NOx mais baixo. Portanto, a produção de NOx térmico pode ser controladapelo controle da temperatura de reação ou da concentraçãode oxigênio. Contudo, uma temperatura de combustão maisbaixa ou uma concentração de oxigênio mais baixa leva a umaqueima ineficiente de carvão, isto é, uma taxa de queimalenta. Uma taxa de queima lenta pode resultar em uma queimaincompleta de carvão e uma queima prolongada de carvão.

Várias tecnologias foram desenvolvidas para redução daemissão de NOx. Estas tecnologias podem reduzir atemperatura de combustão ou manipular a concentração deoxigênio. A primeira é denominada "técnica de controle decombustão baseada em diluição" e a última é referida como"técnica de controle de combustão baseada emestequiometria". A técnica de combustão baseada em diluiçãointroduz gases inertes, tais como água ou gases combustão("f lue gases") para redução da temperatura de pico dechama. A técnica de combustão baseada em estequiometriaenvolve a diminuição da concentração de oxigênio na zona dechama e a geração de uma atmosfera de redução, desse modose permitindo que o NOx seja reduzido. Os exemplos sãoqueimadores em estágios de NOx baixo e combustão de OS, porexemplo, de ar terciario ("over-fire-air") e queimador forade serviço. Estas técnicas controlam a geração de NOx pelaprovisão de ar e/ou combustível em estágios para a criaçãode zonas ricas em combustível (zonas de combustão parcial)seguidas por zonas ricas em ar para se completar o processode combustão. Estes queimadores de NOx baixo podem reduzira emissão de NOx para de 0,65 a 0,25 libras por milhão deBTUs. Um outro tipo de tecnologia de controle de NOx é umaqueima em estágios de gás. A tecnologia de queima emestágios pode diminuir a emissão de NOx de 0,45 a 0,18libras por milhão de BTUs.

Contudo, estas técnicas de redução de NOx são menos doque adequadas. Por exemplo, elas não podem se adequar àsexigências de emissão (menos de 0,15 libras por milhão deBTUs), segundo o U.S. Clean Air Act. Adicionalmente, emquase todas as técnicas de combustão de NOx baixo, o tempo de combustão tem de ser aumentado significativamente. Comoresultado, o tamanho de caldeira deve ser aumentado para aacomodação do tempo de combustão mais longo, de modo que acombustão de carvão possa ser completada em um nivelaceitável economicamente. De modo conseqüente, quase todas as tecnologias de controle de NOx requerem um investimentode capital significativo, e o custo de operação é alto.

Os estudos recentes mostraram que a alimentação decarvão com um gás à alta temperatura poderia reduzirsignificativamente a emissão de NOx e carbono não queimado em cinzas volantes. No processo de combustão com um gás àalta temperatura, o nitrogênio combustível édesvolatilizado rapidamente, e reduzido para nitrogênio,durante a desvolatilização e a combustão em uma zona ricaem combustível.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção é baseada no reconhecimento pelosinventores de vários problemas associados à técnicaanterior. Um dos problemas é que, embora as tecnologias datécnica anterior para redução de NOx sejam baseadas em teorias sólidas, os dispositivos baseados nas tecnologiasfreqüentemente não obtêm uma redução ótima de NOx. A razãopara isso é que aqueles dispositivos não ajustam ou nãopodem ajustar rapidamente os parâmetros de operação paraadaptação às condições de operação mutáveis para umaredução ótima de NOx. Por exemplo, quando a qualidade ou otipo de carvão muda, ou quando a carga é mudada, osdispositivos da técnica anterior não reconhecem ou nãopodem reconhecer rapidamente a mudança e ajustar osparâmetros de operação para adaptação à mudança. Comoresultado, uma redução ótima de NOx não pode ser obtidapara o carvão ser usado. Ao mesmo tempo, um carbono nãoqueimado em cinzas volantes também aumenta.

Um outro problema associado à técnica anterior é que,no caso da tecnologia envolvendo a alimentação de gás àalta temperatura para carvão, o que produz uma temperaturade combustão alta, a falha em ajustar os parâmetros deoperação para adaptação às condições de operação mutáveispode resultar na frente de chama tornando-se muito próximada parede do queimador e/ou da parede da câmara decombustão. Como resultado, uma formação de escória ocorrena parede do queimador e/ou na parede da câmara decombustão. Por exemplo, o experimento dos inventores mostraque, quando os parâmetros de operação são regulados paracarvão de antracito (com voláteis de 7,36%), mas carvãobetuminoso (com voláteis de 17,22%) é usado, a formação deescória ocorre na parede do queimador, devido a umsuperaquecimento, e pode causar uma parada do sistema decombustão.

A presente invenção é dirigida a um método decombustão que tem uma ou mais vantagens de emissão baixa deNOx, baixo carbono não queimado, adaptabilidade automáticaa quaisquer tipos de combustível fóssil, e formação deescória reduzida. O método de combustão pode incluir ainjeção de uma corrente de ar / combustível em um queimadorpara causar uma zona de baixa pressão; o direcionamento deum fluxo de um gás de combustão à alta temperatura a partirde uma câmara de combustão para a zona de baixa pressão noqueimador; a mistura do gás de combustão à alta temperaturacom a corrente de ar / combustível injetada paraaquecimento da corrente de ar / combustivel injetada, e ainjeção da corrente de ar / combustivel aquecida a partirdo queimador para a câmara de combustão, onde a corrente dear / combustivel é rapidamente desvolatilizada e queimada em uma chama; a detecção de um parâmetro de combustão; e,com base no parâmetro de combustão detectado, o controle dacombustão para a obtenção de pelo menos uma dentre umaredução desejada de NOx e uma distância desejada doqueimador para uma frente da chama. Em uma modalidadepreferida, a combustão é controlada para a maximização daredução de NOx, sem uma formação de escória inadmissível. 0que constitui uma "formação de escória inadmissível" nãopode ser determinado de forma abstrata, e deve serdeterminado em uma base caso a caso a partir das exigências de projeto para um dado sistema de combustão. Umadeterminação como essa pode ser feita por uma pessoa deconhecimento comum na técnica.

A presente invenção é dirigida também a um sistema decombustão para um combustivel de hidrocarboneto pulverizado. Um sistema de combustão pode incluir umqueimador que é projetado para receber uma corrente de ar /combustivel; uma câmara de combustão que é conectada aoqueimador para enviar para o queimador um fluxo de um gásde combustão à alta temperatura para aquecimento dacorrente de ar / combustivel, e para receber a corrente dear / combustivel aquecida do queimador para combustão; umsensor para detecção de um parâmetro de combustão; e umcontrolador para controle da combustão, com base noparâmetro de combustão detectado, para a obtenção de pelomenos uma redução desejada de NOx e uma distância desejadado queimador até uma frente de chama. Em uma modalidadepreferida, a combustão é controlada para a maximização daredução de NOx, sem uma formação de escória inadmissível.

Em uma modalidade preferida, a velocidade da correntede ar / combustível injetada no queimador é de 10 a 60 m/s,mais preferencialmente de 15 a 50 m/s. A velocidade podeser projetada de modo a alimentar a corrente de ar /combustível sem bloquear o tubo de alimentação, e paraintroduzir uma pressão dentro do queimador que seja maisbaixa do que aquela na câmara de combustão. A área de seçãotransversal da injeção na entrada do queimador pode ser umafração da área de seção transversal do queimador,preferencialmente de 20% a 60%. A relação desejada da áreade seção transversal permite que uma certa quantidade degás de combustão à alta temperatura flua de volta para oqueimador a partir da câmara de combustão.

Em uma outra modalidade preferida, a corrente de ar /combustível é uma corrente de ar / combustível concentrada,isto é, uma corrente de ar / combustível que tem umarelação de ar para combustível baixa. Preferencialmente, arelação de ar para sólidos combustíveis na correnteconcentrada é de 0,4 a 2,2 kg de ar / 1 kg de combustível,mais preferencialmente, de 0,7 a 1,8 kg de ar / 1 kg decombustível. Isto representa apenas de 8% a 25% da relaçãoestequiométrica para combustíveis, tais como carvões deantracito e betuminoso.

Há várias razões para o uso de uma corrente de ar /combustível concentrada. Em primeiro lugar, a correnteconcentrada permite a manutenção de uma chama altamenterica em combustível dentro do queimador e das câmaras decombustão, o que pode reduzir significativamente o NOx. Emsegundo lugar, a corrente concentrada pode ser aquecidausando-se uma quantidade relativamente pequena de calor.Assim, a corrente concentrada pode ser rapidamente aquecidaa uma distância curta. Em terceiro lugar, a correnteconcentrada aquecida libera uma grande quantidade devoláteis no aquecimento rápido. (Uma combustão parcialtambém pode ocorrer durante o aquecimento da correnteconcentrada.) Os voláteis liberados melhoram a ignição e acombustão das partículas de carvão, reduzindo o carbono nãoqueimado em cinzas volantes. Adicionalmente, uma liberaçãorápida de voláteis incluindo um nitrogênio ligado acombustível na atmosfera rica em combustível permite uma transformação de nitrogênio ligado a combustível em N2, aoinvés de NOx. Os efeitos gerais da corrente de ar /combustível concentrada e do queimador projetado permitemque uma combustão seja realizada e mantida a uma altatemperatura e em uma atmosfera de gases reduzidos, o que écondutível para uma emissão de NOx ultrabaixa e um carbononão queimado baixo em cinzas volantes.

A corrente de ar / combustível no queimador pode serum fluxo em rodamoinho ou um fluxo reto. Algumasconfigurações típicas do queimador são de parede queimada,de queima oposta, de queima tangencial e de queima parabaixo. 0 queimador preferencialmente é disposto na mesmaelevação vertical que aquela da câmara de combustão.

Ainda em uma outra modalidade preferida da presenteinvenção, o sistema de combustão pode incluir umdispositivo de separação que é projetado para separar umacorrente de ar / combustível de um sistema de pulverizaçãona corrente de ar / combustível concentrada e uma correntede ar / combustível diluída. O dispositivo de separação éconectado ao queimador para suprimento da corrente de ar /combustível concentrada para o queimador. A relação de arpara sólidos combustíveis para corrente concentrada é menordo que para a corrente de ar / combustível a partir dosistema de pulverização. Tipicamente, a relação de ar parasólidos combustíveis na corrente de ar / combustível apartir do sistema de pulverização pode ser de 1,25 a 4,0 kgde ar / 1 kg de combustível. A relação de ar para sólidoscombustíveis na corrente concentrada de ar / combustívelpreferencialmente é de 0,4 a 2,2 kg de ar / 1 kg decombustível, mais preferencialmente, de 0,7 a 1,8 kg de ar/ 1 kg de combustível.

Em geral, uma modalidade da presente invenção pode incluir duas ou mais correntes de ar / combustível que sãoinjetadas em uma câmara de combustão. Cada uma dessascorrentes de ar / combustível pode ser uma corrente de ar /combustível concentrada, a qual pode ter uma relação de arpara sólidos de combustível entre 0,4 e 2,2 kg de ar / 1 kg de combustível, mais preferencialmente, de 0,7 a 1,8 kg dear / 1 kg de combustível. Alternativamente, cada uma destascorrentes de ar / combustível pode ser uma corrente de ar /combustível diluída, a qual pode ter uma relação de ar paracombustível que é maior do que aquela de uma corrente de ar / combustível concentrada. Cada uma das correntes de ar /combustível pode ser aquecida, conforme descrito acima, ounão aquecida, antes de ser injetada na câmara de combustão.

Por exemplo, uma modalidade preferida da presenteinvenção pode incluir uma corrente de ar / combustível primária que é concentrada e aquecida, e uma corrente de ar/ combustível secundária que é diluída e pode ou não seraquecida. Preferencialmente, a corrente de ar / combustívelprimária é primeiramente injetada na câmara de combustão e,então, a corrente de ar / combustível secundária é injetadana câmara de combustão para se completar a combustão. Acorrente de ar / combustível secundária pode conteroxigênio suficiente para que a quantidade total de oxigênioalimentada para a câmara de combustão constitua pelo menosa quantidade estequiométrica necessária para uma combustãocompleta de combustível. Preferencialmente, a corrente dear / combustível secundária é alimentada para a câmara decombustão adjacente à saida do queimador para a correnteprimária. Uma corrente tipica de ar e de combustívelsecundária contém em torno de 3,5 a 8,0 kg de ar para 1 kgde combustível, o que representa em torno de 65 a 90% do arde combustão estequiométrica requerido para uma combustãocompleta de carvão de antracito, carvão betuminoso e coquede óleo.

Neste exemplo, uma corrente de ar / combustíveldiluida adicional, tal como um assim denominado "arterciário", é injetada na câmara de combustão. Estacorrente de ar / combustível diluida adicional pode ou nãoser aquecida. Em algumas modalidades, a corrente de ar /combustível diluida adicional contém oxigênio suficientepara que a quantidade total de oxigênio alimentada para acâmara de combustão seja de pelo menos a quantidadeestequiométrica para uma combustão completa de combustível.

Para um outro exemplo, uma modalidade preferida dapresente invenção pode incluir duas ou mais correntes de ar/ combustível concentradas que podem ou não ser aquecidas,e cada uma das correntes de ar / combustível concentradaspode ser seguida por uma ou mais correntes de ar /combustível diluídas que podem ou não ser aquecidas.

O controle de combustão para otimização de pelo menosuma dentre a redução de NOx e a distância do queimador parauma frente de chama pode ser realizado de várias formas.

Por exemplo, pode incluir o controle de um ou mais dosparâmetros de controle a seguir: a pressão na zona depressão baixa em um queimador, pelo menos uma dentre avazão e a relação de ar / combustível de uma corrente de ar/ combustível concentrada, e pelo menos uma dentre a vazãoe a relação de ar / combustível de uma corrente de ar /combustível diluída.

O controle de combustível pode ser obtido pelocontrole da pressão na zona de pressão baixa, porque apressão na zona de pressão baixa afeta a vazão do gás decombustão à alta temperatura a partir da câmara decombustão para a zona de pressão baixa no queimador e, assim, o aquecimento da corrente de ar / combustível. Apressão na zona de pressão baixa pode ser controlada pelaintrodução de um gás na zona de refluxo de pressão baixa.Preferencialmente, o gás é ar (ar terciário). Quando aquantidade de ar terciário é aumentada, a pressão na zona de pressão baixa também é aumentada, resultando em um fluxodiminuído do gás de combustão à alta temperatura a partirda câmara de combustão para a zona de pressão baixa. Comoresultado, o aquecimento da corrente de ar / combustível éreduzido, e a temperatura de combustão pode ser reduzida. Aquantidade de ar terciário afeta também a relação de pesode ar / combustível da corrente de ar / combustível, o quetambém pode ser usado para controle da combustão.

O controle de combustão também pode ser obtido pelocontrole da vazão e da relação de ar / combustível de umacorrente de ar / combustível injetada no queimador, porquea vazão e/ou a concentração da corrente de ar / combustívelafetam a pressão na zona de pressão baixa e adesvolatilização e a combustão da corrente de ar /combustível.

O controle de combustão da presente invenção pode serbaseado em um ou mais parâmetros de combustão. Osparâmetros representativos podem ser temperatura decombustão, pressão e a concentração de um ou mais gasesselecionados, tais como dióxido de carbono, monóxido decarbono, oxigênio e nitrogênio. Preferencialmente, atemperatura é usada como o parâmetro de combustão. 0controle pode ser realizado pela detecção do valor doparâmetro de combustão dentro do queimador e/ou a câmara decombustão e pela comparação do valor detectado com um valorpré-regulado. Com base na diferença entre o valor detectadoe o valor pré-regulado, o controlador, tal como umcontrolador de laço fechado ou um sistema de controledistribuído, ajusta um ou mais dos parâmetros de controlediscutidos acima, para redução da diferença. Quando adiferença é reduzida, a emissão de NOx é reduzida, e/ou umadistância desejada de um queimador para uma frente de chamaé mantida para redução da formação de escória. Estecontrole automático permite que um queimador seja usado comquase todos os tipos de combustível, sem mudança daestrutura do sistema de combustão.

Aqui, o termo "refluxo" significa um fluxo dos gasesde combustão à alta temperatura a partir da câmara decombustão de volta para o queimador. O fluxo dos gases decombustão é na direção oposta da corrente de combustível.Outros termos, tais como tipos de fluxo são "refluxo" e"recirculação". O refluxo é causado pela redução de pressãoresultado da injeção da corrente de ar / combustível noqueimador.

Aqui, o termo "aquecimento" significa um aquecimentoda corrente de ar / combustível no queimador. A fonte deaquecimento é a partir do refluxo dos gases de combustão àalta temperatura. O aquecimento pode ser conduzido pormistura e radiação térmica. No caso da corrente de ar /combustível concentrada, a temperatura da corrente de ar /combustível pode atingir de 700 °C a 1200 °C em umadistância variando entre 250 mm e 1950 mm, medida a partirda saida do tubo de alimentação para a corrente decombustível concentrada para o queimador.

Aqui, o termo "NOx" significa óxidos de nitrogênio,incluindo NO, N02, N03, N20, N203, N204, N304, e suasmisturas.

Aqui, o termo "nitrogênio ligado" significa umnitrogênio que é uma composição de uma molécula que écomposta por carbono e hidrogênio e, possivelmente,oxigênio.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A FIG. 1 mostra uma seção transversal de umamodalidade preferida da invenção para a criação de umacorrente de combustível concentrada e realização deaquecimento no queimador e combustão em uma câmara decombustão. A FIG. 2 mostra o padrão de fluxo para refluxo eaquecimento da corrente de ar / combustível.

As FIG. 3 e 4 mostram uma seção transversal de umqueimador da modalidade mostrada na FIG. 1.

As FIG. 5 e 6 mostram representações em seçãotransversal de dispositivos usados na presente invençãopara alimentação de uma corrente de combustível concentradapara a câmara de combustão, para a criação de um refluxo degases de combustão à alta temperatura de volta para oqueimador, e para controle do refluxo de gases de combustãoà alta temperatura de volta para o queimador.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES PREFERIDAS

As modalidades preferidas da presente invençãodescritas abaixo são discutidas às vezes em termos decombustão de carvão e em termos de ar sendo um veiculogasoso e oxidante. As técnicas descritas são aplicáveis aqualquer outro combustível sólido pulverizado e qualqueroutro veiculo gasoso. A invenção será descrita com oauxilio das Figuras, embora uma descrição que se refira àsFiguras não seja usada para limitação do escopo dainvenção.

As FIG. 1 a 4 mostram uma modalidade preferida de umqueimador com rodamoinho de acordo com a presente invenção.Algumas modalidades do queimador são descritas em maioresdetalhes nas FIG. 4 e 5. A invenção também envolve queimadores de fluxo reto, onde a corrente secundária e/ououtras correntes são alimentadas para a câmara de combustãoem um fluxo reto.

A FIG. 1 mostra um sistema de combustão que inclui umqueimador 3 e um dispositivo de combustão 1 que tem umacâmara 2. O dispositivo de combustão da presente invençãopode ser qualquer aparelho dentro do qual uma combustãoocorre. Os dispositivos de combustão tipicos incluem fornose caldeiras. Um queimador 3 é montado em uma parede lateralou em um canto de parede do dispositivo de combustão 1 ealimenta sólidos combustíveis e ar a partir de fontes forado dispositivo de combustão 1 para a câmara de combustão 2do dispositivo de combustão 1. Os combustíveis tipicosincluem sólidos de hidrocarboneto pulverizados, um exemplodos quais sendo carvão pulverizado ou coque de petróleo.

Na modalidade ilustrada, o combustível e o ar sãosupridos para o sistema de combustão como uma corrente dear / combustível principal A, e uma corrente de ar /combustível secundária diluída para um controleaerodinâmico da mistura entre o combustível e o ar. Na corrente de ar / combustível principal A, o ar pode sersuprido com uma relação estequiométrica de menos de 1. O arusado para se completar a combustão do combustível pode sersuprido para o dispositivo de combustão 1 como a correntesecundária B (= Bi + B2) e/ou como ar terciário, conformemostrado nas Fig. 1 a 4.

Conforme mostrado nas FIG. 1 e 3 a 6, o queimador 3 écompreendido por um injetor 8, 16 para a corrente de ar /combustível primária concentrada ai, um injetor de correntesecundária 13, 19 e uma unidade de controle automática 30.Preferencialmente, um separador de sólido - gás 4 éposicionado em frente ao injetor 8 para a corrente de ar /combustível primária concentrada ai, para separação dacorrente de ar / combustível principal A em uma correnteconcentrada ai e uma corrente de combustível diluída a2. Épreferido que o separador 4 seja um separador de três viascurvado, mas não deve estar limitado a um separadorcurvado. O separador de três vias curvado 4 inclui um tubode entrada de corrente principal 5, um tubo curvado 6, umtubo de alimentação 7 para uma corrente diluida a2, e umtubo de alimentação 8 para a corrente de combustívelconcentrada primária ai. Preferencialmente, o ângulo de curvatura do tubo curvado 6 está entre 60° e 120°. Arelação do raio interno do tubo 8 para a corrente de ar /combustível concentrada para o raio interno do tubo 7 paraa corrente de combustível diluida está entre 0,5 e 2,0.

A corrente de ar / combustível principal A de umsistema de pulverização (não mostrado na figura) pode seralimentada a partir do tubo de entrada 5 através doseparador de 3 vias curvado 4 a uma velocidade. Os pós decombustível podem ser concentrados na curva externa doseparador 4 pelo projeto do separador 4 com um raioespecificado e um ângulo de curvatura para combinar com avelocidade de fluxo. Isto separa a corrente principal A nacorrente concentrada primária ai na região externa da curvae uma corrente diluída a2 na região interna da curva. Acorrente concentrada ai é alimentada para o queimador 3através de um tubo de alimentação 8. Através de um tubo dealimentação 7, a corrente diluída a2 é alimentada atravésde uma janela 20 para o dispositivo de combustão 1 em umalocalização próxima do queimador 3. 0 ângulo na direção desaída do separador 4 pode ser ajustado. Uma correnteprincipal típica A contém de 1,25 a 4,0 kg de ar / 1 kg desólidos combustíveis, o que representa de em torno de 10 a35% do ar de combustão estequiométrica requerido para umacombustão completa do combustível.

A vazão e a concentração da corrente concentrada ai ouda corrente diluída a2 pode ser controlada pelo ajuste deuma válvula de palheta 27 disposta entre o tubo dealimentação 8 para a corrente concentrada ai e o tubo dealimentação 7 para a corrente diluída a2. Alternativamente,algum outro arranjo pode ser feito para o controle da vazãoe da concentração da corrente concentrada ai ou da correntediluída a2.

A corrente secundária é a partir da caixa de vento decorrente secundária 11 (FIG. 1). Preferencialmente, acorrente secundária é alimentada usando-se duas passagens:uma passagem de corrente secundária interna Bi e umapassagem de corrente secundária externa B2. A passagem decorrente secundária interna Bi inclui um estrangulamento 9para a corrente secundária de fluxo reto, umestrangulamento 10 para a corrente secundária de fluxo comrodamoinho, um defletor de ar 12 e um tubo de esguicho decorrente secundária 13. A passagem de corrente secundáriaexterna B2 inclui um estrangulamento 14 para a correntesecundária de fluxo reto, um estrangulamento 15 para acorrente secundária de fluxo com rodamoinho, um defletor dear 18 e um tubo de esguicho de corrente secundária 19.Aqueles componentes são posicionados concentricamente aolongo do eixo geométrico da linha de alimentação 16 dacorrente concentrada ai, se os componentes forem de umformato circular ou cilíndrico.

Alimentada a partir da caixa de vento 11, a correntesecundária interna Bi é separada, então, em duas correntes,pelo ajuste dos estrangulamentos 9 e 10. Deles, a primeiracorrente bn é um ar de fluxo reto, a segunda corrente bi2 éum ar de fluxo com rodamoinho produzido pelo defletor de araxial 12. O ajuste dos estrangulamentos 9 e 10 permite umaresistência de rodamoinho desejável. Alimentada a partir dacaixa de vento 11, a corrente secundária externa B2 é entãoseparada em duas correntes pelo ajuste dos estrangulamentos14 e 15. Deles, a primeira corrente b2i é um ar de fluxoreto, a segunda corrente b22 é um fluxo com rodamoinhoproduzido pelo defletor de ar axial 18. O ajuste dosestrangulamentos 14 e 15 permite uma resistência derodamoinho desejável. Uma corrente secundária tipica Bcontém de em torno de 3,5 a 8,0 kg de ar para 1 kg decombustível, o que representa de em torno de 65 a 90% do arde combustão estequiométrica requerida para uma combustãocompleta de carvões de antracito, betuminoso e coque deóleo. A resistência de rodamoinho é controlada pelo ajustedos estrangulamentos 9 e 10 e 14 e 15. Preferencialmente,um número de rodamoinho, conforme definido em "CombustionAerodynamics", J. M. Beer e N. A. Chigier, Robert E.Krieger Publishing Company, Inc., 1983, é de 0,1 a 2,0.

Preferencialmente, um ar terciário é alimentadoatravés de uma janela de ar terciário 21 para o dispositivode combustão 1, para tornar a zona de combustão inteiradentro do dispositivo de combustão 1 rica em combustível, esuprir mais oxigênio para ajudar em uma combustão completado combustível. A percentagem em volume do ar terciáriopode estar entre 0 e 30% do ar total enviado para odispositivo de combustão 1 que é requerido para uma combustão completa do combustível.

Em uma modalidade preferida, a corrente concentradaentra na câmara de queimador 40 e forma uma zona rica emcombustível Ci, onde a relação estequiométrica está entre0,08 e 0,25. Um refluxo de gás à alta temperatura éintroduzido no queimador 3 a partir da câmara de combustão2, para aquecer rapidamente a corrente concentrada para adesvolatilização de voláteis e nitrogênio ligado. E umacombustão ocorre entre os sólidos combustíveis e o ar decombustão seqüencialmente, produzindo-se uma chama C2. A corrente secundária e, às vezes, o ar terciário sãoinjetados na câmara de combustão 2 para se completar acombustão. O refluxo é causado pela pressão relativamentemais baixa causada pela injeção da corrente concentrada aia uma velocidade relativamente alta, se comparado com a velocidade de gases dentro do dispositivo de combustão 1.

0 aquecimento rápido da corrente de combustívelconcentrada na zona rica em combustível Ci gera uma zonarica em combustível volátil. Isto aumentasignificativamente a combustibilidade da corrente decombustível. Assim, uma ignição é mantida e completada emum tempo curto e faixa. E uma combustão de combustível podeser mantida a uma temperatura alta. Um aquecimento rápido euma desvolatilização combinados com uma combustão à altatemperatura sob uma atmosfera de gases de redução geram nitrogênio. Exatamente estas mesmas condições de combustãotambém ajudam na combustão de partículas de combustível e,assim, reduzem o carbono não queimado nas cinzas volantes.Quando a concentração de combustível for mais alta oua relação de ar / combustível for menor, o tempo de igniçãoserá mais curto; a temperatura de combustão será mais alta;e a frente de chama será mais próxima do queimador. Quandoa frente de chama está próxima demais da boca do queimador,por exemplo, uma formação de escória pode ocorrer. Isto éespecialmente importante quando o tipo de célula decombustível muda de um combustível de grau baixo com umteor baixo de voláteis, tal como carvão de antracito, para um combustível com um alto teor de voláteis, tal como ocarvão betuminoso. Neste caso, a relação de ar /combustível deve ser aumentada, para se evitar uma formaçãode escória.

A invenção usa um sensor 22 para a monitoração da mudança de pelo menos um parâmetro no queimador 3 ou nacâmara de combustão 2. Os parâmetros representativosincluem temperatura, pressão e teor de um gás selecionado.O gás selecionado pode ser um ou mais dentre O2, CO, CO2/NOx, N2 e HC. O sensor pode ser posicionado no queimador 3 ou na câmara de combustão 2 ou em uma área em que oqueimador 3 e o dispositivo de combustão 1 se interceptam.Por exemplo, o sensor de temperatura pode ser posicionadoem uma ou próximo de uma localização em que uma formação deescória tem probabilidade de ocorrer. O sinal de temperatura é enviado para um controlador de laço fechado23.

Um controlador tipico pode ser um controlador PI D(proporcional - integral - diferencial) ou um controladorde DCS (sistema de controle distribuído) . 0 sinal écomparado com um valor pré-regulado. Se o sinal detemperatura detectado for maior do que o valor pré-regulado, significando que a temperatura de combustão éalta demais ou que a frente de chama está mais próxima doque a distância desejada do queimador, o controladorenviará um comando para o servo-motor 24, o qual entãovariará a abertura da válvula 25, para redução datemperatura de combustão. Especificamente, o controladorpode permitir mais ar terciário T (diretamente a partir daatmosfera ou a partir de uma fonte de suprimento) para oqueimador 3. 0 ar terciário adicional dilui a corrente decombustível e reduz o refluxo de gás de combustão,aumentando a distância entre o queimador 3 e a frente dechama. O processo de controle automaticamente continua atéa temperatura detectada ser a mesma ou suficientementepróxima do valor desejado. O controle automático permiteque o sistema de combustão seja adaptável para tiposdiferentes de combustível e para redução de emissões deNOx.

Preferencialmente, a quantidade total de ar alimentadopara o dispositivo de combustão 1, isto é, a soma do ar noar principal A (= ai + a2) , na corrente secundária B (= Bi +B2) , e o ar terciário T, está entre 90 e 125% do arestequiométrico requerido para se completar a combustão.Preferencialmente, o ar através da janela de ar terciário21 é de em torno de 0 a 30% do ar total enviado para odispositivo de combustão 1. A quantidade de ar terciáriopode ser controlada pelo ajuste da abertura da válvula dear terciário 26.

Preferencialmente, o ar terciário T é controlado demodo que a frente de chama esteja em uma localização entre100 mm e 1400 mm a partir do queimador. Em alguns casos,quando a frente de chama está mais próxima do queimador doque esta faixa preferida, uma formação de escória tende aocorrer.A quantidade de ar alimentada para o queimador 3 e oarranjo da aerodinâmica do ar preferencialmente são usadospara o estabelecimento de uma relação estequiométrica nazona rica em combustível da chama C2 que é menor do que 0,75. A quantidade de ar na corrente concentrada aipreferencialmente é menor do que 30% da quantidadeestequiométrica requerida para a combustão completa docombustível sólido. Mais preferencialmente, a quantidadedeve ser menor do que 20% da quantidade estequiométrica.

A emissão de NOx e o carbono não queimado na cinzadependem da relação estequiométrica na zona rica emcombustível Ci e na zona de chama rica em combustível C2 eda taxa de aquecimento ou da taxa de elevação detemperatura da zona rica em combustível Ci. Por exemplo, se a corrente principal A for diretamente enviada para oqueimador 3, o calor requerido para aquecimento da correnteaté à temperatura de ignição é de em torno de ou maior doque duas vezes aquela requerida para aquecimento dacorrente concentrada ai. Como resultado, a ignição dacorrente de combustível será atrasada, e a combustão podenão ser completada no sistema de combustão. Ao mesmo tempo,a emissão de NOx é aumentada dramaticamente, quando arelação estequiométrica for maior do que 1,0.

Em uma modalidade preferida, a presente invenção criae mantém uma chama rica em combustível controlada por:concentração da corrente primária convencional; então,rápido aquecimento da corrente concentrada usando-se gasesde combustão de refluxo dentro do queimador 3 (o refluxo écausado pela pressão negativa induzida pela corrente decombustível concentrada de velocidade relativamente alta emsi) ; e controle do refluxo usando-se um sistema decontrole. A chama da corrente de combustível altamenteconcentrada preferencialmente é mantida pelo refluxocontrolado, permitindo-se uma relação estequiométrica bemabaixo dos valores de ar primário originais.

Os injetores de combustível em queimadores geralmentetêm uma seção transversal circular, uma seção transversalanular (formada por dois tubos concêntricos) , ou uma seçãotransversal quadrada ou retangular (por exemplo, injetorescom um queimador aceso tangencialmente). Estes projetos oulayouts cumprem duas funções para a presente invenção: aalimentação de correntes de combustível para o dispositivode combustão e a geração do refluxo dos gases à altatemperatura de volta para o queimador que é usado paraaquecimento da corrente concentrada. As FIG. 5 e 6 mostramalguns projetos representativos que realizam tais funções.

A presente invenção, não obstante, inclui todos os projetose layouts que alimentam o combustível e geram um refluxo degases à alta temperatura a partir do dispositivo decombustão 1. Estes projetos podem ser usados em queimadoresde ignição em parede, no queimador de ignição tangencial enos queimadores de ignição por baixo.

A FIG. 5 mostra alguns injetores de combustível quesão sem uma entrada de ar terciário. Deve ser destacadoque, embora algumas modalidades da presente invenção usem oar terciário para controle da pressão na zona de refluxo debaixa pressão, outras modalidades da presente invençãotambém incluem um queimador que não usa o ar terciário. NaFIG. 5a, o tubo de alimentação 8 para uma corrente decombustível concentrada está na linha de centro de um tubode queimador 16. Na FIG. 5b, o tubo de alimentação 8 estálocalizado fora da linha de centro do tubo de queimador 16.Na FIG. 5c, o tubo de alimentação 8 está disposto em tornodo tubo de queimador 16. Nas FIG. 5d a 5g, o tubo dealimentação 8 é composto por duas partes: uma seção reta euma seção concêntrica, e dentro do tubo de queimador 16poderia incluir um sólido. Quando o ar terciario não éusado para controle da pressão da zona de baixa pressão noqueimador 3, a quantidade e/ou o teor da corrente decombustível concentrada fluindo para o queimador podem sercontrolados para o ajuste da pressão dentro do queimadore/ou para ajuste do aquecimento e da relação de peso decombustível / ar no queimador 3.

A FIG. 6 mostra alguns injetores de combustível quetêm uma entrada de ar terciario. Na FIG. 6a, a entrada dear terciario está localizada em uma parede lateral do tubode queimador 16. Preferencialmente, um tubo de ar terciario17 está localizado nos primeiros dois terços do tubo de queimador 16 (a partir da entrada de corrente decombustível). Na FIG. 6b, a entrada de ar terciario 17 estálocalizada na superfície dianteira (aqui, a dianteira é aentrada da corrente de combustível) do tubo de queimador16.

O tubo de queimador 16 e o tubo de ar terciario 17podem ser de qualquer formato. Os formatos representativossão cilíndricos, cúbicos, prismáticos, em formato de cone,elípticos, e em formato tronco de pirâmide. Adicionalmente,todos os tubos de alimentação 8 e os tubos de queimador 16mostrados na FIGURA 5 podem ser usados como um injetor decombustível com ar terciario. Os formatos preferíveis sãocilíndrico, cubóide e prismático. Pode haver qualquernúmero de tubos de alimentação para a corrente decombustível concentrada e tubos de ar terciario. O tubo terciario 17 pode estar em qualquer ângulo com respeito àlinha de centro de queimador.

Claims

1. Método de combustão para um combustível dehidrocarboneto pulverizado, o método caracterizado pelofato de compreender:a injeção de uma corrente de ar / combustível em umqueimador, causando uma zona de pressão baixa;o direcionamento de um fluxo de um gás de combustão àalta temperatura a partir de uma câmara de combustão para azona de pressão baixa no queimador; a mistura do gás de combustão à alta temperatura com acorrente de ar / combustível injetada para aquecimento dacorrente de ar / combustível injetada, e a injeção dacorrente de ar / combustível aquecida a partir do queimadorpara a câmara de combustão, onde a corrente de ar /combustível é rapidamente desvolatilizada e queimada em umachama que tem uma alta temperatura;a detecção de um parâmetro de combustão; ecom base no parâmetro de combustão detectado, ocontrole da combustão para a obtenção de pelo menos uma dentre uma redução de NOx desejada e uma distância desejadado queimador para uma frente de chama.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da pressão da zona de pressão baixa.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da pressãoda zona de pressão baixa incluir o controle de um arterciário alimentado para a zona de pressão baixa paracontrole da pressão da zona de pressão baixa.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de um tubo de alimentação para aalimentação do ar terciário estar localizado nos primeirosdois terços do queimador medidos a partir de sua entradapara a corrente de ar / combustível.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da vazão do gás de combustão à altatemperatura a partir da câmara de combustão para a zona depressão baixa no queimador.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustão incluir o controle de pelo menos uma dentre a vazão e arelação de ar / combustível da corrente de ar / combustívelinjetada.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a corrente de ar / combustível ser uma corrente de ar / combustível concentrada.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a corrente concentrada ter umarelação em peso de ar para combustível na faixa de 0,4 a-2,2.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a corrente concentrada seraquecida até uma temperatura de 700 °C a 1200 °C em umadistância entre 250 mm e 1950 mm, conforme medido a partirda entrada do queimador para o gás à alta temperatura.

10. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a corrente concentrada ter umarelação em peso de ar para combustível na faixa de 0,7 a-1,8.

11. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a corrente concentrada serinjetada no queimador a uma velocidade de 10 a 60 m/s.

12. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de a corrente concentrada serinjetada no queimador a uma velocidade de 15 a 50 m/s.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de uma área de seção transversal dacorrente de ar / combustível injetada na entrada doqueimador ser uma fração de uma área de seção transversaldo queimador.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de uma área de seção transversal dacorrente de ar / combustível injetada na entrada doqueimador ser menor do que 50% da área de seção transversaldo queimador.

15. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o combustível ser pelo menos umdentre carvão e coque de óleo.

16. Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de ainda compreender a separação deuma corrente de ar / combustível primária na corrente de ar/combustível concentrada e uma corrente de ar /combustível diluída, e a alimentação da corrente diluídapara a câmara de combustão.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da alimentação da corrente diluída paraa câmara de combustão.

18. Método, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de a separação da corrente de ar /combustível primária na corrente concentrada e na correntediluída ser realizada por um tubo curvado.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18,caracterizado pelo fato de o ângulo de curvatura do tubocurvado estar entre 60° e 120°.

20. Método, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de a corrente primária conter de-10% a 35% de ar estequiométrico.

21. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de o parâmetro de combustão incluirpelo menos um dentre um sensor de pressão, um sensor detemperatura e um sensor de produto químico para a detecçãodo teor de um gás.

22. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de a etapa de detecção serrealizada por um sensor que é posicionado no queimador ouna câmara de combustão ou embutido em uma parede doqueimador ou da câmara de combustão.

23. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de ainda compreender a injeção depelo menos uma corrente adicional de ar e combustível.

24. Método, de acordo com a reivindicação 23,caracterizado pelo fato de ainda compreender o aquecimentode pelo menos uma corrente adicional de ar e combustível por um refluxo adicional de um gás de combustão à altatemperatura a partir da câmara de combustão.

25. Método, de acordo com a reivindicação 23,caracterizado pelo fato de pelo menos uma correnteadicional de ar e combustível ser um ar terciario, onde o ar terciario é de 0 a 30% do ar total alimentado para acâmara de combustão.

26. Método, de acordo com a reivindicação 25,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da alimentação do ar terciario.

27. Método, de acordo com a reivindicação 23,caracterizado pelo fato de pelo menos uma correnteadicional de ar e combustível ser uma corrente secundáriadiluída de ar e combustível.

28. Método, de acordo com a reivindicação 27,caracterizado pelo fato de ainda compreender a alimentaçãoda corrente secundária para a câmara de combustão adjacente à periferia da saida do queimador para a primeira correntede ar / combustível.

29. Método, de acordo com a reivindicação 27,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da alimentação da corrente secundária.

30. Método, de acordo com a reivindicação 27,caracterizado pelo fato de a corrente secundária ser umadentre um fluxo reto ou um fluxo com rodamoinho.

31. Método, de acordo com a reivindicação 30,caracterizado pelo fato de ainda compreender a divisão da corrente secundária com rodamoinho em uma correntesecundária interna e uma corrente secundária externa.

32. Método, de acordo com a reivindicação 31,caracterizado pelo fato de a resistência de rodamoinhoestar entre 0,1 e 2,0.

33. Método, de acordo com a reivindicação 23,caracterizado pelo fato de a primeira corrente de ar /combustível ser uma primeira corrente de ar / combustívelconcentrada, e pelo fato de pelo menos uma correnteadicional de ar e combustível ser uma segunda corrente de ar e combustível concentrada.

34. Método, de acordo com a reivindicação 33,caracterizado pelo fato de a segunda corrente de ar /combustível concentrada ser aquecida.

35. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da combustão para a maximização daredução de NOx, sem uma formação de escória inadmissível.

36. Sistema de combustão para um combustível dehidrocarboneto pulverizado, o dispositivo caracterizadopelo fato de compreender:um queimador que é projetado para receber uma corrente de ar / combustível;uma câmara de combustão que é conectada ao queimador,para o envio para o queimador de um fluxo de um gás decombustão à alta temperatura para aquecimento da correntede ar / combustível, e para recebimento da corrente de ar / combustível aquecida a partir do queimador para combustão;um sensor para detecção de um parâmetro de combustão; eum controlador para controle da combustão, com base noparâmetro de combustão detectado, para a obtenção de pelo menos uma dentre uma redução desejada de NOx e umadistância desejada do queimador para uma frente de chama.

37. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da pressão da zona de pressão baixa.

38. Método, de acordo com a reivindicação 37,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da pressãoda zona de pressão baixa incluir o controle de um arterciário alimentado para a zona de pressão baixa paracontrole da pressão da zona de pressão baixa.

39. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle da vazão do gás de combustão à altatemperatura a partir da câmara de combustão para a zona depressão baixa no queimador.

40. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de a etapa de controle da combustãoincluir o controle de pelo menos uma dentre a vazão e arelação de ar / combustível da corrente de ar / combustivelinjetada.

41. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de a corrente de ar / combustível ser uma corrente de ar / combustível concentrada.

42. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de o parâmetro de combustão incluirpelo menos um dentre um sensor de pressão, um sensor detemperatura e um sensor de produto químico para a detecção do teor de um gás.

43. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado pelo fato de ainda compreender a injeção depelo menos uma corrente adicional de ar e combustível.

44. Método, de acordo com a reivindicação 43, caracterizado pelo fato de ainda compreender o aquecimentode uma de pelo menos uma corrente adicional de ar ecombustível por um refluxo adicional de um gás de combustãoà alta temperatura a partir da câmara de combustão.

45. Método, de acordo com a reivindicação 43, caracterizado pelo fato de uma de pelo menos uma correnteadicional de ar e combustível ser uma corrente secundáriadiluída de ar e combustível.

46. Método, de acordo com a reivindicação 43,caracterizado pelo fato de a primeira corrente de ar / combustível ser uma primeira corrente de ar / combustívelconcentrada, e pelo fato de pelo menos uma correnteadicional de ar e combustível ser uma segunda correnteconcentrada de ar e combustível.

47. Método, de acordo com a reivindicação 46,caracterizado pelo fato de a segunda corrente de ar /combustível concentrada ser aquecida.

48. Sistema de combustão, de acordo com areivindicação 36, caracterizado pelo fato de o controladorcontrolar a combustão para a maximização da redução de NOx,sem uma formação de escória inadmissível.