BRPI0811121B1 - Processo de combustão para a fusão de vidro, injetor, queimador, e, forno - Google Patents

Processo de combustão para a fusão de vidro, injetor, queimador, e, forno Download PDF

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Abstract

PROCESSO DE COMBUSTÃO PARA A FUSÃO DE VIDRO, INJETOR, QUEIMADOR, E, FORNO. A invenção se refere a um processo de combustão, para a fusão do vidro, no qual uma chama é criada ao mesmo tempo por uma impulsão de combustível liquido e uma única impulsão de combustível gasoso, caracterizada pelo fato de que a fração da potência total devida ao combustível liquido varia entre 20 e 80%, e que a impulsão especifica do combustível gasoso é limitada a um valor suficientemente baixo para que o teor de NOx, das fumaças produzidas não exceda 800 mg/Nm3 para um forno com queimadores transversais e 600 mg/Nm3 para um forno de ignição pela extremidade; um injetor para executar este Processo; um queimador compreendendo um ou vários tais injetores;e um forno que compreende pelo menos tal queimador.

Description

[0001] A invenção se refere a um processo e dispositivo de combustão no qual a alimentação de combustível é assegurada pelo menos por um injetor.
[0002] A invenção será mais particularmente descrita para uma utilização para a fusão do vidro nos fomos para vidraria, notadamente os fornos para a fabricação de vidro plano de tipo float ou os fornos para a fabricação de vidro oco de embalagem, por exemplo, os fornos que funcionam em inversão do tipo desses que utilizam regeneradores (recuperadores de energia), mas não se limita, no entanto, a tais aplicações.
[0003] A maior parte dos processos de combustão do tipo precitados notadamente esses utilizadas nos fornos para vidraria são confrontados com problemas de emissão não desejada de NOx nas fumaças de combustão.
[0004] O NOx tem uma influência nefasta ao mesmo tempo sobre o ser humano e meio ambiente. Com efeito, por um lado o NO2 é um gás irritante à fonte das doenças respiratórias. Por outro lado, em contato com a atmosfera, podem formar progressivamente chuvas ácidas. Por fim, geram uma poluição fotoquímica pois em combinação com os compostos orgânicos voláteis e a radiação solar, o NOx estão na origem da formação do ozônio dito troposférico cujo aumento de concentração à baixa altitude torna-se nocivo para o ser humano, sobretudo em período de forte calor.
[0005] É por isso que as normas em vigor sobre a emissão de NOx tornam-se cada vez mais exigentes. Em função mesmo da existência destas normas, os fabricantes e os exploradores de forno, tais como os de fornos vidreiros, se preocupam, de maneira constante, limitar ao máximo as emissões de NOx, de preferência a uma taxa inferior a 800 mg por Nm3 de fumaça para um forno com queimadores transversais ou inferior a 600 mg por Nm3 de fumaça para um forno de ignição pela extremidade.
[0006] Os parâmetros que influenciam na formação do NOx já foram analisados. Trata-se essencialmente da temperatura, pois além de 1300°C a emissão do NOx cresce de maneira exponencial, o excesso de ar pois a concentração do NOx depende da raiz quadrada deste do oxigênio ou ainda da concentração de N2.
[0007] Numerosas técnicas já foram propostas para reduzir a emissão do NOx.
[0008] Uma primeira técnica consiste em fazer intervir um agente redutor sobre os gases emitidos para que o NOx seja convertido em nitrogênio. Este agente redutor pode ser o amoníaco, mas isso induz inconvenientes tais como a dificuldade para armazenar e manipular tal produto. É igualmente possível utilizar um gás natural como agente redutor, mas isso se faz em detrimento do consumo do forno e aumenta as emissões de CO2. A presença de gases redutores em certas partes do forno tais como os regeneradores pode além disso provocar uma corrosão acelerada dos refratários destas zonas.
[0009] É, consequentemente, preferível, sem que seja obrigatório, se livrar desta técnica adotando medidas ditas primárias. Estas medidas são assim chamadas, pois não se procura destruir os NOx já formados, como na técnica descrita acima, mas antes impedir sua formação, por exemplo no nível da chama. Estas medidas são, além disso, mais simples de execução e, consequentemente, mais econômica. Elas podem, contudo não substituir completamente à técnica precitada, mas vem a completá-la vantajosamente. Estas medidas primárias constituem de qualquer modo uma preliminar indispensável para diminuir o consumo de reagentes das medidas secundárias.
[0010] Pode-se classificar de maneira não limitativa as medidas existentes em várias categorias:- uma primeira categoria consiste em reduzir a formação de NOx com ajuda da técnica dita “reburning” pela qual se cria uma zona com deficiência de ar no nível da câmara de combustão de um forno. Esta técnica apresenta o inconveniente de aumentar a temperatura no nível de empilhamentos de regeneradores e, dependendo do caso, prever uma concepção específica dos regeneradores e de seus empilhamentos, muito particularmente em termos de estanqueidade e resistência à corrosão; - uma segunda categoria consiste em agir sobre a chama reduzindo ou mesmo impedindo a formação do NOX no seu nível. Para isso, pode- se, por exemplo, procurar reduzir o excesso de ar de combustão. É igualmente possível procurar limitar os picos de temperatura mantendo o comprimento de chama, e aumentar o volume da frente de chamas para reduzir a temperatura média na chama. Tal solução, por exemplo, é descrita nas US6047565 e WO9802386. Ela consiste em um processo de combustão para a fusão de vidro, no qual a alimentação de combustível e a alimentação de carburante se efetuam ambas de maneira a estender no tempo o contato combustível/comburente e/ou aumentar o volume deste contato para reduzir a emissão de NOx.
[0011] Lembramos que um injetor é dedicado à propulsão de combustível, este último tendo vocação para ser queimado por um comburente. Assim, o injetor pode fazer parte de um queimador, o termo queimador designando geralmente o dispositivo que compreende ao mesmo tempo a condução de combustível e a de comburente.
[0012] O EP921349 (ou US6244524) propôs com um objetivo de redução do NOx, um queimador equipado pelo menos de um injetor, comportando um conduto de condução de combustível líquido, do tipo diesel, e um conduto de condução de fluido de pulverização disposto concentricamente em relação ao dito conduto de condução de combustível líquido, o referido conduto de condução de combustível líquido que comporta um elemento perfurado com canais oblíquos para colocar o combustível líquido sob forma de um jato vazio que casa substancialmente com a parede interna, a geratriz de cada um dos referidos canais que fazendo um ângulo pelo menos de 10° com a direção de condução do combustível líquido.
[0013] A FR 2.834.774 propõe reduzir o NOx pelo emprego de um queimador equipado pelo menos de um injetor que comporta três condutos coaxiais de condução de combustíveis- líquido,- gasoso a alta - e a baixa pressão,
[0014] citados na ordem de distanciamento crescente ao eixo. No entanto, com este injetor, a manutenção de uma fraca emissão de NOx quando se deseja fazer variar as proporções relativas dos diferentes combustíveis necessita ajustes complexos.
[0015] A invenção tem por objetivo a disponibilização de um processo de tratamento térmico de vidro fundido no qual são utilizados combustíveis de diferentes naturezas, cujas proporções relativas são consideravelmente variáveis, mantendo ao mesmo tempo baixa a emissão do NOx.
[0016] Para esse efeito, a invenção tem por objeto um processo de combustão, notadamente para a fusão do vidro, no qual uma chama é criada ao mesmo tempo pelo combustível líquido e pelo combustível gasoso, caracterizado pelo fato de que a fração da potência total devida ao combustível líquido varia entre 20 e 80%, e pelo fato de que a impulsão específica do combustível gasoso é limitado a um valor suficientemente baixo de modo que o teor de NOx das fumaças produzidas não exceda 800 mg/Nm3 para um forno com queimadores transversais e 600 mg/Nm3 para um forno de ignição pela extremidade.
[0017] Com efeito, revelou-se que a combinação de uma impulsão de combustível líquido (tal como diesel) e de uma única impulsão de gás de baixa pressão permitia a manutenção de baixo NOx sem necessitar ajustes ou desenvolvimentos complexos. Assim pode-se modificar muito facilmente a proporção diesel/gás, por exemplo, à mercê notadamente das flutuações de custo destes combustíveis.
[0018] O processo da invenção permite obter emissões de NOx tão fracas quanto com a utilização de diesel como combustível único.
[0019] A potência de combustão se decompõe aqui exclusivamente em potência devida ao combustível líquido por um lado, gasoso por outro lado, de modo que a parte do segundo seja o complemento desta da primeira à 100% (ou seja variável entre 80 e 20%).
[0020] A impulsão específica do combustível gasoso é de preferência no máximo igual a 3, de maneira particularmente preferida 2,5 N/MW.
[0021] Especificamos que na indústria do vidro que interessa a presente invenção, um forno e circuito fechado pode funcionar alternativamente com dois queimadores situados na parte esquerda, respectivamente reta do forno. A potência dos queimadores é igual ao produto do número de injetores (notadamente dois ou três) que eles comportam pela potência de um injetor.
[0022] A potência dos queimadores (e consequentemente o número de injetores por queimador, e a potência dos injetores) é variável e deve ser adaptada notadamente ao tamanho do forno.
[0023] A título indicativo, um forno de uma centena de m2 (superfície do banho de vidro) pode funcionar com dois queimadores em alternância de uma potência 8- 14 MW cada um. Se estes queimadores compreendem dois injetores cada um, a potência destes é de 4-7 MW, para decompor em uma parte da potência do injetor devida ao combustível líquido, e uma parte devida ao combustível gasoso.
[0024] É esta última parte que traz a impulsão específica máxima precitada do combustível gasoso. A manutenção desta impulsão específica do combustível gasoso com tais valores relativamente baixos permite fazer variar consideravelmente as proporções relativas de combustíveis líquidos e gasosos guardando ao mesmo tempo as emissões de NOx em um baixo nível.
[0025] O ajuste desta impulsão específica pode ser feita muito facilmente por seleção do diâmetro do conduto de condução do combustível gasoso. É suficiente aumentar este diâmetro para diminuir a impulsão específica, todos os parâmetros iguais, e inversamente.
[0026] De acordo com outra característica vantajosa do processo da invenção, a impulsão específica do combustível líquido é no máximo igual a 1 N/MW. Estes valores se referem unicamente à contribuição do combustível líquido para a potência de um injetor. Elas são adaptadas aos comprimentos de chamas e potências de combustão ótimas, em todas as dimensões e configurações de fornos da indústria vidreira ou equivalente. Elas são também naturalmente garantias de emissões de NOx contidos no baixo nível desejado.
[0027] O ajuste da impulsão específica do combustível líquido é também fácil e se faz da mesma maneira que este da impulsão específica do combustível gasoso. O aumento do diâmetro do conduto de condução (bocal) do combustível líquido diminui a impulsão específica deste, todos os parâmetros iguais, e inversamente.
[0028] A invenção tem igualmente por objeto um injetor para executar um processo descrito previamente, caracterizado pelo fato de que ele compreende um conduto de condução de combustível líquido circunscrito em um conduto coaxial de condução de líquido de pulverização do combustível líquido, por sua vez circunscrito em um único conduto coaxial de condução de combustível gasoso. Esta construção de injetor pode resultar da supressão do conduto coaxial de condução de gás alta pressão disposto entre os condutos coaxiais de condução de combustível líquido e de fluido de pulverização deste último, por um lado, o conduto coaxial de condução de gases de baixa pressão por outro lado, no injetor descrito no documento FR 2.834.774. Os condutos de condução têm aqui também a função de expulsão de fluidos.
[0029] De preferência, o conduto de condução de combustível líquido compreende um elemento perfurado com canais oblíquos para colocar o combustível líquido sob forma de jato oco em rotação antes de ejeção para fora do injetor, a geratriz de cada um dos canais formando um ângulo de 2 à 30° com a direção de condução do combustível líquido. Esta característica é conhecida notadamente do documento EP 921.349. O combustível líquido é dividido em tantos jatos individuais quanto existem de canais oblíquos.
[0030] A distribuição uniforme dos canais oblíquos e a inclinação de 2 à 30° da geratriz de cada um destes canais sobre toda a circunferência do conduto de condução de combustível líquido têm por consequência uma centrifugação do conjunto dos jatos individuais sem, no entanto, interferirem entre si.
[0031] Esta centrifugação contribui, a jusante, para que o combustível siga uma trajetória helicoidal colocando-se sob forma de jato oco casando com a parede interna do conduto de condução.
[0032] Na saída deste, o combustível líquido adquiriu assim uma energia mecânica máxima e, sob a influência do fluido de pulverização, explode verdadeiramente em gotículas cuja dispersão de tamanho é ótima.
[0033] Em uma realização particularmente interessante do injetor da invenção, os condutos de condução de combustível líquido e fluido de pulverização deste último são amovíveis para um funcionamento a 100% gás. Estes condutos podem formar um conjunto íntegro, leve, que é fácil de desmontar do injetor, bem como remontá-lo. Uma vez este conjunto desmontado do injetor, o injetor pode funcionar totalmente em combustível gasoso. No lugar deixado vago pela retirada da haste diesel, sai o gás de alta pressão. O gás de baixa pressão continua a passar pela coroa externa.
[0034] Outros objetos da invenção são- um queimador que compreende um ou vários injetores definidos acima;- um forno que compreende pelo menos tal queimador, notadamente um forno de ignição pela extremidade ou um forno com queimadores transversais.
[0035] A invenção agora é ilustrada pelo exemplo abaixo.Exemplo
[0036] Um forno de ignição pela extremidade de 95 m2 (superfície do banho de vidro) é equipado com dois queimadores situados na parte esquerda, respectivamente direita do forno.
[0037] Um queimador compreende um duto de chegada de ar sob o qual são dispostos dois injetores de diesel líquido levado a 130°C e de gás natural. A potência de um queimador é 13 MW.
[0038] O conduto de condução de diesel do injetor é circunscrito em um conduto coaxial de condução de ar (2 bar) de pulverização do diesel.
[0039] O conduto de condução de ar de pulverização é circunscrito em um conduto coaxial de condução de gás natural.
[0040] A impulsão específica diesel IspéfD. trazido à potência diesel de só um injetor, depende do bocal do conduto de condução de diesel. Os valores lspé(f) são consignados na tabela abaixo. A potência de um injetor vale a metade da potência de um queimador (ou seja, 6,5 MW), e se decompõe na soma da potência diesel e da potência gás de um injetor.
[0041] A impulsão específica gás lspé(g), relacionada à potência de gás de um só injetor, depende do diâmetro do conduto de condução de gases. Os valores lspé(g) são consignados na tabela abaixo.
[0042] O conduto de condução de diesel contém um elemento de colocação em rotação do diesel que compreende furos cujo eixo faz um ângulo de 2 a 30° com a direção de condução do diesel.
[0043] Faz-se variar as potências relativas do gás e do diesel da mesma maneira, para cada configuração consignada na tabela abaixo, para os dois injetores dos dois queimadores. A potência relativa do diesel é consignada na tabela em %(f).
[0044] Para cada configuração, levanta-se as emissões de NOx por um valor de CO razoável no que diz respeito à corrosão dos refratários.TABELA
Figure img0001
[0045] Compara-se as configurações 1 a 3.
[0046] Ensaia-se proporções crescentes de gases, conhecido como produzindo mais NOx do que o diesel. Está bem pelo que se constata.
[0047] Fez-se variar o bocal (f) para manter um valor Ispé(f) praticamente constante, este valor correspondendo a um comprimento de chama ótimo para o forno considerado.
[0048] Mantendo o mesmo diâmetro de bico gás, observa-se uma impulsão específica de gás crescente, correspondente a uma vazão de gases crescente.
[0049] Comparam-se as configurações 3 e 4.
[0050] Conseguiu-se diminuir as emissões de NOx com um bico gás de maior diâmetro, fazendo reduzir o valor de lspé(g) de 2,05 para 0,64 N/MW.
[0051] Contudo, o controle da chama é melhor, e a chama menos volumosa com o valor lspé(g) de 2,05 em relação a 0,64 N/MW.
[0052] Comparam-se as configurações 5 e 6.
[0053] Constata-se novamente que o aumento da potência diesel diminui as emissões de NOx. Verifica-se independentemente das impulsões específicas, mantidas constante por variação dos valores de bocal (F) e de diâmetro (G).
[0054] Assim a invenção permite limitar as emissões de NOx a menos de 600 mg/Nm3 para um forno de ignição pela extremidade (800 mg/Nm3 para um forno com queimadores transversais), pela combinação de uma impulsão de combustível líquido e uma impulsão de combustível gasoso relativamente fraco.

Claims (8)

1. Processo de combustão para a fusão de vidro, no qual uma chama é criada ao mesmo tempo por uma impulsão de combustível líquido e uma única impulsão de combustível gasoso, caracterizadopelo fato de que a fração da potência total devida ao combustível líquido é variável entre 20 e 80%, e em que a impulsão específica do combustível gasoso é limitada a um valor que é suficientemente baixo de modo que o teor de NOx das fumaças produzidas não exceda a 800 mg/Nm3 para um forno com queimadores transversais e 600 mg/Nm3 para um forno de ignição pela extremidade, em que dito processo é implementado utilizando um injetor compreendendo um conduto de condução de combustível líquido circunscrito em um conduto coaxial de condução de líquido para pulverização do combustível líquido, por sua vez circunscrito em um único conduto coaxial de condução de combustível gasoso, e em que o conduto de condução de combustível líquido compreende um elemento perfurado com canais oblíquos para colocar o combustível líquido sob forma de jato oco em rotação antes da ejeção para fora do injetor, a geratriz de cada um dos canais formando e fazendo um ângulo de 2 a 30° com a direção de condução do combustível líquido.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a impulsão específica do combustível gasoso é no máximo igual a 3, de preferência 2,5 N/MW.
3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizadopelo fato de que a impulsão específica do combustível liquida é no máximo igual a 1 N/MW.
4. Injetor para executar um processo tal ramo definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizadopelo fato de que compreende um conduto de condução de combustível líquido circunscrito em um conduto coaxial de condução de líquido para pulverização do combustível líquido, por sua vez circunscrito em um único conduto coaxial de condução de combustível gasoso, em que o conduto de condução de combustível líquido compreende um elemento perfurado de canais oblíquos para colocar o combustível líquido sob forma de jato oco em rotação antes da ejeção para fora do injetor, a geratriz de cada um dos canais que formam um ângulo de 2 a 30° com a direção de condução do combustível líquido.
5. Injetor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os condutos de condução de combustível líquido e fluido de pulverização deste são amovíveis para um funcionamento a 100% gás.
6. Queimador caracterizado pelo fato de que compreende um ou vários injetores tal como definido em qualquer uma das reivindicações 4 a 5.
7. Forno caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um queimador tal como definido na reivindicação 6.
8. Forno de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que é de ignição pela extremidade ou de queimadores transversais.
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