BRPI0814357B1

BRPI0814357B1 - método de controle, método de acendimento, queimador e forno

Info

Publication number: BRPI0814357B1
Application number: BRPI0814357A
Authority: BR
Inventors: Bertola Francesco; R Ponzi Peter; J Gartside Robert
Original assignee: Lummus Technology Inc
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2020-05-05
Also published as: CN102165257A; PL2181286T3; JP5675352B2; US9574769B2; JP5717700B2; EP2181286A2; US20090029300A1; KR20100047290A; CA2694290C; CL2008002102A1; US20130224669A1; TWI445907B; BRPI0814357A2; CN102165257B; JP2012215383A; KR101192051B1; CA2694290A1; TW200925521A; MY164809A; ZA201001248B

Abstract

método de controle, método de acendimento, queimador e forno é mostrado aqui um método de controle da relação de ar para combustível em um queimador que contém um conjunto de venturi. o venturi inclui uma entrada de ar, uma entrada de combustível primário com uma seção convergente, uma porção de garganta a jusante da seção convergente, uma seção divergente a jusante da porção de garganta, uma saída, e uma entrada de gás secundário disposta a jusante da seção convergente e a montante da saída. o método compreende a introdução de combustível na entrada de combustível, o recebimento de ar através da entrada de ar por aspiração, e a alimentação de um gás através da entrada de gás secundário, a vazão e o teor do gás alimentado através da entrada de gás secundário sendo selecionados para resultarem em uma relação de ar para combustível desejada através da saída. um método de acendimento de um aquecedor, um queimador, um forno e sistemas de controle de acendimento também são mostrados.

Description

MÉTODO DE CONTROLE, MÉTODO DE ACENDIMENTO, QUEIMADOR E FORNO

Antecedentes

As modalidades mostradas aqui se referem a queimadores de gás e ao acendimento desses queimadores.

São conhecidos queimadores que usam combustível para aspiração de ar através de um tubo venturi e para a introdução de uma mistura de ar - combustível pré-misturada que, então, viaja para um forno. O conjunto de venturi, especificamente a área de garganta do tubo venturi, é projetado de modo que para o fluxo de combustível desejado a quantidade de ar que é aspirada seja ligeiramente acima da quantidade estequiométrica de ar requerida para se completar a combustão. O ar requerido para se completar a combustão é definido como o fluxo de ar que provê o oxigênio necessário para a combustão do combustível para CO2 e H2O. Tipicamente, há um conjunto de defletor, tampão ou grelha a jusante do conjunto de venturi, de modo a se alterar a direção de fluxo da mistura, para controle da direção da chama, e/ou para a criação de uma velocidade suficiente saindo do queimador, para se evitar um retorno de chama. O retorno de chama é um fenômeno no qual a velocidade da reação de combustão (queima) é mais rápida do que a velocidade do efluente do queimador, e a combustão assim pode viajar para trás para o queimador em si e resultar em danos ao conjunto de queimador pelas altas temperaturas de combustão.

A Patente U.S. N° 6.616.442 mostra um queimador que é projetado para estar localizado no piso de um forno para acendimento verticalmente para cima de uma parede radiante.

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Há um bocal primário que aspira ar para o conjunto de venturi e uma grelha localizada a jusante do conjunto de venturi é projetada para aumentar a velocidade da mistura de ar - combustível entrando no forno, de modo a se evitar um retorno de chama. O conjunto de venturi é projetado de modo que apenas uma porção do combustível a ser acesa no queimador total seja usada para aspiração de todo o ar requerido. Assim, o conjunto de venturi tem um efluente de ar - combustível pré-misturados que é rico em ar (pobre). O saldo do combustível é adicionado em janelas secundárias localizadas na borda do queimador.

Os queimadores que incorporam uma tecnologia de prémistura pobre (LPM) são conhecidos. A tecnologia de LPM tem sido usada em queimadores de NOx baixa e usa um conjunto de venturi para aspiração do ar. Este arranjo é projetado para a formação de uma mistura de combustível pobre (rica em ar) que entra no forno. As janelas de combustível secundárias que são incluídas no queimador estão localizadas fora do conjunto de venturi e adicional um combustível adicional para se atingirem condições de combustão em geral ligeiramente acima das estequiométricas. É importante notar que a localização dos pontos de injeção de combustível para o queimador determina a qualidade da chama e a produção de NOx daquela chama. Se um fluxo de ar reduzido for desejado, o combustível para a janela primária será reduzido. Alternativamente, um registro a montante do venturi é usado para a criação de uma perda de pressão que inibiria o fluxo de ar para o venturi. Este fluxo de ar reduzido cria uma mistura de ar - combustível diferente no efluente de conjunto de venturi. No extremo, nenhum combustível é

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3/53 provido naquele ponto e o ar é retirado através do venturi com base apenas na tiragem natural do forno em si. A chama criada com uma mistura extremamente pobre de combustível (uma baixa quantidade de combustível pré-misturado com o ar) e um combustível substancial aceso nas janelas secundárias será instável.

A Patente U.S. N° 6.607.376 mostra um queimador para acendimento na parede de um forno. O queimador consiste em um conjunto de venturi no qual o fluxo de ar é criado pelo fluxo do queimador total através de uma janela primária na garganta do venturi. O conjunto de venturi é projetado de modo que a quantidade de ar aspirada pelo combustível resulte em uma mistura de ar - combustível ligeiramente acima da estequiométrica. O fluxo de combustível na localização primária e o conjunto de registro são os meios para a mudança do fluxo de ar. A mistura de ar combustível pré-misturada deixando o venturi então é dirigida ao longo da parede por um tampão com orifícios, para a promoção de um fluxo radial a partir do queimador de parede.

A Patente U.S. N° 6.796.790 também mostra um queimador para acendimento na parede do forno. Na modalidade descrita, um combustível primário é usado para aspiração do ar através de um conjunto de venturi. O conjunto de venturi é projetado de modo que o combustível proveja o ar em excesso com respeito ao combustível primário. O efluente rico em ar (pobre em combustível) do conjunto de venturi então é dirigido através de um tampão com orifícios para direcionamento da chama ao longo das paredes do forno. Neste caso, contudo, um combustível adicional é injetado no

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4/53 exterior do conjunto de venturi e do tampão diretamente para o forno. Este combustível se mistura com a mistura rica em ar, conforme a mistura sair do conjunto de tampão com a mistura de ar - combustível resultante na vizinhança do queimador sendo ligeiramente acima da estequiométrica.

Uma combustão estequiométrica é definida como a quantidade de ar (ou oxigênio) que queimará completamente o combustível para dióxido de carbono e água. Isto corresponde à temperatura de chama máxima para o combustível. Tipicamente, a combustão é operada em um ligeiro excesso de ar, tipicamente de 10 a 15%. Isto provê controle sobre a combustão, mas minimiza a perda de energia criada pelas quantidades mais altas de ar em excesso deixando o forno as temperaturas acima da ambiente. Se a combustão for operada abaixo de condições estequiométricas, um combustível não queimado (rico em combustível) permanece no gás de combustão representando perdas de energia, bem como poluição. Se a combustão for operada bem acima da estequiométrica, então, haverá uma penalidade de energia significativa devido ao ar em excesso quente deixando o sistema.

A formação de NOx térmico é influenciada pela temperatura da chama. A temperatura de chama máxima é no ponto de combustão estequiométrica. Isto formará o NOx térmico máximo. É conhecida uma tecnologia tal que uma operação sob condições ricas em ar (acima da estequiométrica) ou rica em combustível (subestequiométrica) reduza as temperaturas de chama e, daí, NOx. Certos queimadores de NOx baixo são projetados para condições pobres do venturi para diminuição da

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5/53 temperatura de chama primária e redução de NOx, mas, então, injetam (estágio) combustível secundário na chama primária acima do queimador, para se proporcionarem condições ligeiramente acima das estequiométricas no total. O resultado líquido do estágio é uma temperatura de combustão mais baixa, uma vez que também há uma mistura de gases de combustão de temperatura mais baixa no forno com os gases de combustão da chama.

A Publicação de Patente U.S. N° 2005/0106518 A1 inclui um layout de queimador e um arranjo de padrão de acendimento no qual os queimadores de soleira de um forno a etileno são operados com ar em quantidades acima de níveis estequiométricos. O ar em excesso é criado não pelo aumento do fluxo de ar, mas pela remoção de combustível das janelas secundárias de queimadores de soleira e, então, injetandose aquele combustível através da parede do queimador imediatamente acima do queimador de soleira. Isto puxa a chama para a parede pela criação de uma zona de baixa pressão atrás da chama principal a partir do queimador de soleira. O fluxo do combustível através da janela primária ainda controla a quantidade total de ar inspirada e o fluxo de ar para aquele queimador permanece o mesmo.

No projeto de conjuntos de venturi para queimadores de soleira ou de parede, uma característica muito importante é o valor de aquecimento volumétrico do combustível e a relação de ar para combustível requerida para a obtenção da combustão estequiométrica. O combustível gasoso típico para plantas de etileno ou aquecedores de refinaria é uma mistura consistindo primariamente em metano e hidrogênio. Este combustível requer aproximadamente 20 libras (9,072

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6/53 kg) de ar por libra (0,454 kg) de combustível para suprimento do oxigênio requerido para a combustão estequiométrica. Contudo, em alguns outros casos de combustão, outros combustíveis podem representar opções mais desejáveis. Um combustível como esse é um gás de síntese que consiste em uma mistura de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio. Esta mistura tem uma liberação de calor volumétrica mais baixa e requer consideravelmente menos ar para uma combustão estequiométrica, da ordem de 3 libras (1,361 kg) de ar por libra (0,454 kg) de combustível. Por exemplo, se um combustível incluir CO, o carbono já será parcialmente oxidado (queimado) e, assim, haverá menos energia liberada quando o CO for queimado para CO2 do que um combustível contido apenas em espécies de hidrocarboneto.

Se um queimador com um conjunto de venturi típico for projetado para um dado combustível, por exemplo, uma mistura de metano - hidrogênio, será muito difícil operar o queimador com um combustível de liberação de calor volumétrica significativamente mais baixo, por exemplo, gás de síntese. Para o mesmo fluxo em massa de combustível primário para a garganta de venturi como um combustível de metano-hidrogênio, um gás de síntese aspiraria a quantidade equivalente de ar. Isto representaria consideravelmente mais ar do que o requerido para a combustão, uma vez que a mistura de metano-hidrogênio requer uma relação de ar para combustível de 20, se comparada com um ar - combustível requerido de gás de síntese de 3 para condições estequiométricas. Assim, fornos com queimadores projetados para operarem com um combustível gasoso não podem ser

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7/53 operados eficientemente com um combustível significativamente diferente requerendo fluxos de ar diferentes. Se um queimador for projetado para um combustível de gás de síntese, ele não poderá ser prontamente adaptado para queimar outros combustíveis, no caso de o gás de síntese para o qual ele foi projetado se tornar indisponível.

Sumário

Seria útil prover um queimador e um sistema de acendimento que pudessem ser convenientemente adaptados para operarem usando tipos diferentes de combustível. Também seria vantajoso prover um queimador que permitisse pequenas mudanças na relação de ar para combustível para um dado combustível. Mais ainda, seria útil prover um sistema de controle que permitisse a comutação de combustíveis bem como o controle da relação de ar para combustível quando do acendimento de um único combustível.

Uma modalidade é um método de controle da relação de ar para combustível em um queimador compreendendo um conjunto de venturi que tem uma entrada de ar a montante, uma porção convergente com uma entrada de combustível de injeção primário, uma porção de garganta a jusante da porção convergente, uma porção divergente a jusante da porção convergente e a montante da saída. O método compreende a introdução de combustível na entrada de combustível de injeção primário, o recebimento de ar através da entrada de ar por aspiração, e a alimentação de um gás através da entrada de gás secundário. A vazão e o teor do gás alimentado através da entrada de gás secundário são selecionados para resultarem em uma relação de ar para

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8/53 combustível desejada através da saída.

O combustível usualmente tem um valor de aquecimento na faixa de em torno de 100 BTU/stdcuft (3726 kJ/m³) a em torno de 1200 BTU/stdcuft (44711 kJ/m³), mas, opcionalmente, poderia ser de um valor de aquecimento mais alto ou mais baixo. Por exemplo, poderia ser um combustível de valor de aquecimento alto, tal como um combustível de hidrogênio alto ou um combustível de valor de aquecimento mais baixo, tal como um gás de síntese. Em muitos casos, um combustível convencional e um gás de síntese podem ser alimentados de forma intercambiável. O combustível alimentado através da entrada de gás secundário pode ser combustível, gás inerte ou uma combinação de combustível e de gás inerte.

O conjunto de venturi às vezes inclui uma porção tubular a jusante da porção divergente, e a entrada de gás secundário é formada na porção tubular. Em alguns casos, pelo menos uma dentre a direção de fluxo e a velocidade de fluxo é alterada a jusante da entrada de gás secundário. Uma alteração pode ser efetuada com um componente de resistência a fluxo.

Em alguns casos, um ventilador de tiragem induzida é incluído a jusante da saída. Às vezes, um registro é incluído para a provisão de controle adicional da vazão de ar através da entrada de ar. Em outros casos, nenhum registro é incluído. Em muitos casos, combustíveis tendo um valor de aquecimento volumétrico na faixa de em torno de 100 BTU/stdcuft (3726 kJ/m³) a em torno de 1200 BTU/stdcuft (44711 kJ/m³) pode ser usado de forma intercambiável.

Uma outra modalidade é um método de acendimento de um

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9/53 aquecedor que tem pelo menos um queimador compreendendo um conjunto de venturi, que tem uma entrada de ar a montante, uma porção convergente com uma entrada de combustível de injeção primário, uma porção de garganta a jusante da porção convergente, uma porção divergente a jusante da porção de garganta, e uma saída. Uma entrada de gás secundário é disposta a jusante da porção convergente e a montante da saída. O método compreende a introdução de combustível na entrada de combustível, o combustível aspirando ar para a entrada de ar, e a alimentação de um gás através da entrada de gás secundário, onde uma mistura de ar e de combustível em uma relação de ar para combustível selecionada sai do conjunto de venturi através da saída.

O venturi em certos casos tem um componente de resistência posicionado a jusante da entrada de gás secundário. Em alguns casos, tal como quando o combustível tem um valor de aquecimento baixo, o aquecedor tem uma pluralidade de queimadores de soleira e uma pluralidade de queimadores de parede, e o método ainda compreende a alimentação de pelo menos uma porção do combustível de valor de aquecimento baixo através de pelo menos uma janela adicional posicionada em pelo menos uma dentre uma primeira localização adjacente aos queimadores de soleira e uma segunda localização na parede do aquecedor abaixo dos queimadores de parede e acima dos queimadores de soleira.

Uma modalidade adicional é um queimador que inclui um conjunto de venturi que compreende uma entrada de ar, uma porção convergente com uma entrada de combustível de injeção primário, uma porção de garganta a jusante da

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10/53 porção convergente, uma porção divergente a jusante da porção de garganta e uma saída. Uma entrada de gás secundário é posicionada a jusante da porção convergente e a montante da saída.

Uma outra modalidade é um sistema de controle de acendimento para controle da relação de ar para combustível em um conjunto de queimador que tem um conjunto de venturi que compreende uma entrada de ar, uma porção convergente com uma entrada de combustível de injeção primário, uma porção de garganta a jusante da porção convergente, uma porção divergente a jusante da porção de garganta e uma saída, e uma entrada de gás secundário é disposta a jusante da porção convergente e a montante da saída. O sistema de controle de acendimento compreende um primeiro dispositivo de controle de fluxo configurado para controlar o fluxo da entrada de combustível em uma entrada de combustível de injeção primário, e um segundo dispositivo de controle de fluxo para controlar o fluxo de entrada de gás na entrada de gás secundário. Às vezes, pelo menos um dentre os primeiro e segundo dispositivos de controle de fluxo é uma válvula ou um regulador de pressão. Em alguns casos, um registro é incluído para ajudar no controle da vazão de entrada de ar.

Ainda uma outra modalidade é um sistema de controle de acendimento para um forno que compreende uma soleira, uma parede lateral e um conjunto de queimador com pelo menos um queimador que inclui um conjunto de venturi que compreende uma entrada de ar, uma porção convergente com uma entrada de combustível de injeção primário, uma porção de garganta a jusante da porção convergente, uma porção divergente a

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11/53 jusante da porção de garganta, uma saída e uma entrada de gás secundário disposta a jusante da porção convergente e a montante da saída. O sistema de controle de acendimento inclui um primeiro dispositivo de controle de fluxo configurado para controlar um fluxo de entrada de combustível para a entrada de combustível de injeção primário e um segundo dispositivo de controle de fluxo configurado para controlar o fluxo de entrada para a entrada de gás secundário. As vazões através dos primeiro e segundo dispositivos de controle de fluxo são variadas, dependendo de pelo menos um dentre a composição do combustível, o valor de aquecimento do combustível, o teor de oxigênio na saída de queimador, e a vazão de ar desejada através do conjunto de venturi.

Às vezes, o conjunto de queimador inclui pelo menos um primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios na soleira ou na parede, e o sistema de controle de acendimento ainda compreende um dispositivo de controle de fluxo adicional configurado para controlar o fluxo de entrada para o primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios. Neste contexto, um conjunto de janelas de queimador em estágios pode conter uma janela única ou múltiplas janelas. Em alguns casos, um terceiro dispositivo de controle de fluxo é incluído, que é configurado para controlar o fluxo de entrada de um combustível de valor de aquecimento baixo em um segundo conjunto de janelas de queimador em estágios adjacente ao primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios.

Uma modalidade adicional é um sistema de controle de acendimento para um forno que compreende uma soleira, uma

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12/53 parede lateral, uma entrada de combustível de forno e um queimador que compreende um conjunto de venturi com uma primeira entrada de combustível e uma segunda entrada de combustível. O sistema de controle de acendimento compreende um componente de análise de oxigênio configurado para a determinação de um teor de oxigênio pós-combustão do forno. O componente de análise de oxigênio é usado para ajuste das vazões de combustível relativas para as primeira e segunda entradas de combustível do conjunto de venturi.

Ainda uma outra modalidade é um sistema de controle de acendimento para um forno que compreende uma soleira, uma parede lateral e um queimador com uma entrada de combustível de forno e uma entrada de combustível suplementar. O sistema de controle de acendimento compreende um componente de análise de combustível configurado para determinar se o combustível na entrada de combustível tem um valor de aquecimento mais baixo ou um valor de aquecimento mais alto. O componente de análise de combustível é usado para controlar a vazão de combustível para pelo menos uma dentre a entrada de combustível de forno e a entrada de combustível suplementar.

Uma outra modalidade é um forno que compreende uma pluralidade de queimadores de soleira, uma pluralidade de queimadores de parede, um primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios para pelo menos um da pluralidade de queimadores de soleira e da pluralidade de queimadores de parede, e um segundo conjunto de janelas de queimador em estágios adjacente ao primeiro conjunto, onde apenas o primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios é usado com combustíveis de valor de aquecimento mais alto, e

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13/53 onde ambos os primeiro e segundo conjuntos de janelas de queimador em estágios são usados com combustíveis de valor de aquecimento mais baixo.

Breve Descrição dos Desenhos

A Fig.	1 mostra	esquematicamente	um	exemplo	de	um
conjunto de	venturi.
A Fig.	2 descreve	esquematicamente	um	exemplo	de	um
queimador de	soleira para um forno.
A Fig.	3 mostra	esquematicamente	um	exemplo	de	um
queimador de	parede.
A Fig.	4 mostra	esquematicamente	um	exemplo	de	um

sistema de controle de acendimento que permite um controle de relação de ar para combustível para um único combustível.

A Fig. 5 mostra esquematicamente um exemplo de um sistema de controle de acendimento que permite a operação de um forno capaz de acender alternativamente dois combustíveis de valor de aquecimento volumétrico diferente e para comutação entre os dois combustíveis.

A Fig. 6 mostra os resultados de uma simulação computacional de dinâmica dos fluidos que mostra o efeito do fluxo de janela secundária e a resistência a jusante no fluxo de ar em uma modalidade, usando-se um outro gás secundário além de combustível.

A Fig. 7 mostra os resultados de uma simulação computacional de dinâmica dos fluidos que mostra o efeito do fluxo de janela secundária e a resistência a jusante no fluxo de ar, expressa como uma relação de ar para combustível usando-se um outro gás secundário além de combustível.

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A Fig. 8 mostra os resultados de uma simulação computacional de dinâmica dos fluidos que mostra o efeito do fluxo de janela secundária e a resistência a jusante na vazão de ar, quando um combustível é adicionado na janela de venturi secundária.

A Fig. 9 mostra os resultados de uma simulação computacional de dinâmica dos fluidos que mostra o efeito do fluxo de janela secundária e a resistência a jusante na relação de ar para combustível, quando um combustível é adicionado à janela de venturi secundária.

A Fig. 10 mostra os resultados de uma simulação computacional de dinâmica dos fluidos que mostra o efeito de uma localização de janela a jusante sobre o ar entranhado.

Descrição Detalhada

As modalidades descritas aqui provêem a flexibilidade para se acenderem combustíveis de forno alternativamente, tais como fontes de gás de síntese e de combustível convencional no mesmo forno. As modalidades mostradas permitem que uma planta facilmente comute entre fontes de combustível, caso uma perturbação ocorra na fonte primária. Elas também provêem uma capacidade melhorada de controle da taxa de ar de combustão total para o forno e/ou facilmente se ajuste a divisão de ar entre os queimadores de soleira e de parede, quando se usar um único combustível ou uma comutação entre combustíveis de valor de aquecimento volumétrico amplamente diferente. As modalidades são particularmente bem adequadas para uso com fornos de etileno, mas também podem ser usadas com outros tipos de fornos.

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Conforme usado aqui, componente de resistência a fluxo” significa um dispositivo posicionado próximo de ou em uma saída de queimador que dirige ou fluxo e/ou muda a velocidade de fluxo. Valor de aquecimento volumétrico de combustível” conforme usado aqui se refere a uma liberação de calor com uma combustão completa de um volume unitário daquele combustível. Conforme usado aqui, combustível convencional” se refere a misturas compreendendo metano, hidrogênio e hidrocarbonetos mais altos que existem como vapores, conforme eles entrarem no forno. Os exemplos não limitativos de combustíveis convencionais incluem gases combustíveis de refinaria ou petroquímicos, gás natural ou hidrogênio. Conforme usado aqui, gás de síntese” é definido como uma mistura que compreende monóxido de carbono e hidrogênio. Os exemplos não limitativos de combustíveis de gás de síntese incluem os produtos da gaseificação ou oxidação parcial de coque de petróleo, resíduos de vácuo, carvão ou óleos crus.

Dito geralmente, um método de controle da relação de ar para combustível em um queimador, um método de acendimento de um aquecedor, um queimador, um forno e sistemas de controle são descritos, que provêem o controle do fluxo de ar, sem se requerer o uso de registros ou outros dispositivos, ou provêem um controle estendido em conjunto com registros ou similares. Em muitos casos, o queimador, os métodos e sistemas de controle podem usar de forma intercambiável combustíveis tendo uma ampla variedade de valores de aquecimento volumétricos de combustível gasoso, incluindo aqueles de misturas de metano / hidrogênio e gás de síntese. Usualmente, os combustíveis

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16/53 têm valores de aquecimento volumétricos na faixa de em torno de 100 a 1200 BTU/stdcuft (de 3726 a 44711 kJ/m³) e, na maioria dos casos de em torno de 200 a 1000 BTU/stdcuft (de 7452 a 37259 kJ/m³) .

Uma modalidade é um método para controle do acendimento de um queimador. Um gás, tal como combustível ou vapor, é introduzido através de uma entrada de gás secundário na extremidade a jusante de um conjunto de venturi contendo ar e combustível pré-misturados. Pela variação das quantidades relativas de combustível enviado através da janela de combustível primário e do gás para a entrada de gás secundário no mesmo fluxo de combustível total, a vazão de ar que é extraída para o forno pode ser variada. Assim, o sistema provê um controle de relação de ar para combustível sem variação da velocidade de ventilador de tiragem induzida ou usando-se registros de fluxo de ar a montante da entrada de venturi. Uma outra vantagem é que uma faixa de controle de fluxo pode ser variada pela inclusão de vários componentes de resistência ou um único componente com resistência ajustável, próximo da saída de venturi. É típico inclui um dispositivo para análise do oxigênio no efluente de queimador para a determinação do fluxo de ar.

Uma outra modalidade é um método para controle do acendimento de um forno. Ela combina o sistema de controle de queimador individual envolvendo a introdução de gás primário em um conjunto de venturi e uma entrada de gás a jusante da seção divergente, mas a montante da saída com os bocais de combustível adicionais e válvulas de controle para se permitir uma flexibilidade. Um sistema como esse

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17/53 pode ser configurado para permitir o controle do acendimento por uma faixa ampla de combustíveis de valor de aquecimento volumétrico, e, em particular é útil para o projeto de queimadores para operação em vários combustíveis variando de combustíveis convencionais, tal como gás natural, a combustíveis de gás de síntese.

Uma outra modalidade é um queimador que compreende um conjunto de venturi. O queimador inclui uma entrada de gás secundário no conjunto a jusante da seção divergente de um venturi de um ar pré-misturado para um queimador de soleira e/ou um queimador de parede. A entrada de gás secundário usualmente é uma janela de injeção. Em alguns casos, a entrada de gás secundário é uma ramificação localizada no centro axial do venturi que dirige o combustível ao longo do eixo geométrico do conjunto de venturi. O conjunto de venturi inclui uma entrada de ar, um ponto de injeção de combustível primário, uma seção convergente na qual ar ou um outro gás contendo oxigênio adequado é aspirado, uma garganta, uma seção divergente ou de expansão para recuperação de pressão, e uma saída para a emissão de uma

mistura	de combustível- ar para um invólucro	de	forno.	Uma
entrada	de	gás secundário está	localizada	a	jusante	da
garganta	e	a montante da saída.	O gás usado	na	entrada	de

gás secundário pode ser o combustível de forno ou um gás inerte, tal como vapor ou nitrogênio. Em muitos casos, um componente de resistência a fluxo é incluído a jusante da entrada de gás secundário e a montante da saída.

Os queimadores atuais usados em fornos de etileno e similares não são capazes de comutarem entre combustível convencional e gás de síntese, por causa da grande variação

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18/53 nas taxas de combustível e de ar entre os combustível convencional e o gás de síntese. Por exemplo, a mesma liberação de calor de gás de síntese requer uma taxa de combustível a qual é cinco vezes maior do que a taxa de combustível de um combustível convencional de metano / hidrogênio. A taxa de ar requerida é de 30% menos, contudo. Em um forno convencional, um conjunto de janelas de combustível dimensionadas para operação de gás de síntese não aspirará a quantidade correta de ar requerida para operação usando-se combustível convencional. Assim, dois queimadores distintos, ou dois conjuntos de partes internas para um dado queimador, seriam requeridos para se permitir uma comutação de combustível. Em um caso, isto representa um custo adicional significativo e, no outro, uma parada seria requerida para a comutação das partes internas do queimador. Nada disso é desejável. Em contraste, as modalidades mostradas permitem que um único queimador lide com ambos os combustíveis pela comutação de combustível da janela de aspiração para a janela de gás secundário da seção convergente, mas a montante da saída e de um componente de resistência, caso incluído. Mais ainda, janelas de combustível adicionais podem ser incluídas na posição de ramificação secundária dos queimadores de soleira, e na parede para os queimadores de parede, para se permitir um fluxo de combustível adicional para o combustível de liberação de calor volumétrico mais baia. Estas podem ser ativadas por um sinal de uma análise de composição de combustível on-line (por exemplo, um medidor Wobbe). O uso da janela de gás secundário no venturi permite que uma chama estável seja mantida para ambos os

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19/53 tipos de combustível. Também permite uma transição sem emendas para o uso de um combustível convencional, caso um suprimento de gás de síntese seja subitamente perdido, ou vice-versa.

A janela de gás secundário é dimensionada para lidar com uma grande porção da taxa de combustível de gás de síntese muito mais alta, se comparada com a taxa de combustível convencional, mas também pode ser usada com combustíveis convencionais. Pelo projeto apropriado da janela de aspiração de combustível e das janelas de gás secundário do conjunto de venturi e, em alguns casos, pela inclusão de um componente de resistência a fluxo a jusante da janela secundária, o sistema opera como uma válvula fluídica”, permitindo o controle do acendimento do combustível de síntese e do combustível convencional, e provendo uma comutação fácil entre os combustíveis.

As variáveis associadas ao projeto de um venturi, incluindo o comprimento de garganta e o diâmetro, o ângulo da seção divergente, etc., são todos operativos e são usados para a regulagem do ponto de projeto geral para o fluxo de ar. A relação de injeção de combustível primário para secundário e a resistência a jusante então são usadas para a definição da faixa de controle em torno do ponto de projeto. Mais ainda, o ponto exato ao longo do comprimento do conjunto de venturi em que o gás secundário entra e a direção daquela entrada de gás ambos têm impacto sobre a quantidade de ar aspirada sob quaisquer dadas condições.

Uma outra vantagem das modalidades descritas aqui é que elas provêem uma capacidade melhorada para controle da vazão de ar total e da divisão de ar entre os queimadores

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20/53 de soleira e de parede, pela variação da taxa de gás e do tipo de gás para a entrada de gás secundário. Isto é para qualquer dado combustível. Em queimadores convencionais, a taxa de ar é controlada pelo ajuste de uma posição de registro de ar no pleno de ar de entrada. Esta é uma técnica que consome tempo, que, às vezes, é imprecisa. Com uma tecnologia convencional, o combustível pode ser comutado a partir das janelas de combustível em estágio para a janela de garganta de venturi para controle do ar, mas isto pode alterar significativamente o formato da chama e, em um forno de etileno, afetar de forma adversa a temperatura de metal de tubo e o comprimento do trecho. As vantagens da entrada de gás secundário são que esta nova janela facilita o controle do fluxo de ar através de um dado queimador, sem uma mudança no fluxo de combustível total para aquele queimador e sem requerer mudanças nas posições de registro ou de velocidade de ventilador de tiragem induzida. Pelo movimento do combustível entre a garganta e uma janela secundária no venturi, a taxa de ar, a qual é aspirada através do venturi, pode ser ajustada, sem se mudar o fluxo de combustível total através do venturi e, assim, sem mudar a entrada de calor para o processo. Ainda, o combustível é introduzido no mesmo ponto na zona de combustão do queimador. Isto minimizará o impacto sobre o formato de chama, enquanto provê um controle de divisão de ar e um controle da temperatura de metal de tubo máxima e do perfil de temperatura. Adicionalmente, pela introdução de um gás inerte, ao invés de combustível, na entrada de gás secundário, a vazão de ar total também pode ser ajustada sem mudanças no fluxo de

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21/53 combustível primário e nas regulagens de registro, e sem se afetar o formato da chama de queimador.

Uma vantagem adicional da entrada de gás secundário no conjunto de venturi é que esta nova janela facilita uma transição rápida entre duas fontes de combustível dissimilares, quando se opera um forno de etileno. Devido aos valores de aquecimento muito diferentes de combustível convencional e gás de síntese, a taxa de combustível de gás de síntese necessária para um acendimento constante é cinco vezes mais alta do que aquela da taxa de combustível convencional. A taxa de ar com gás de síntese, contudo, é em torno de 30% mais baixa. O uso de uma janela de gás secundário no venturi permite a operação com ambos os tipos de combustível, porque a mesma janela de injeção de combustível primário e a geometria de garganta de venturi poderiam ser usadas para a aspiração da quantidade correta de ar.

Atualmente, registros nas passagens de entrada de ar são usados para o ajuste do fluxo de ar a mudanças nas condições de combustão ou variações ligeiras na composição de gás combustível, enquanto se tenta manter uma entrada de calor constante para o aquecedor, para manutenção da performance de processo constante. A performance de combustão usualmente é monitorada por uma análise dos gases de combustão efluentes para o teor de oxigênio e os operadores tentam controlar um dado nível de oxigênio, assim controlando a relação de ar / combustível. Os registros são ajustados a mão e/ou usando-se ligações mecânicas denominadas eixos intermediários, que são trabalhosos e não sensíveis a mudanças pequenas. Em alguns

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22/53 casos, os registros podem ser elevados, quando novos queimadores forem usados.

Com referência às figuras e, primeiramente, à Figura 1, um conjunto de venturi é mostrado e é geralmente designado 10. O conjunto de venturi 10 tem uma porção convergente a montante 12 com uma entrada de ar 14 e uma entrada de gás primário 16. A extremidade a jusante da porção convergente 12 é conectada a uma garganta 18. Uma porção divergente 20 é conectada à extremidade a jusante da garganta 18. Uma entrada de gás secundário 22 é posicionada a jusante da porção convergente 12. Na modalidade mostrada na Fig. 1, a entrada de gás secundário 22 é disposta em uma porção tubular 23 a jusante da porção divergente 20 e a montante de uma saída 24. A entrada de gás secundário 22 é configurada para receber um gás inerte ou um combustível adicional. A entrada de gás secundário tipicamente é um tubo orientado de modo que o gás seja alimentado axialmente ao longo da linha de centro do venturi. Pelo ajuste da vazão e da substância introduzida na entrada de gás secundário 22, a relação de ar para combustível no conjunto de venturi e na saída 24 pode ser controlada.

A Figura 2 mostra um conjunto de queimador de soleira de exemplo 30 para um forno de craqueamento. Um conjunto de queimador de soleira em geral consiste em um tijolo refratário que provê um alojamento para as partes internas de metal do queimador e atua como uma blindagem térmica para aquelas partes de metal. No tijolo, já provisões para a injeção de combustível, o controle da direção do fluxo de ar ou de combustível, e controle da turbulência para se permitir uma estabilidade de chama. A Figura 2 mostra um

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23/53 tijolo de queimador 60 com partes internas conforme descrito acima, que consistem em conjuntos de venturi e janelas de injeção de combustível. Um total de 6 venturis é usado neste queimador, e a Figura 2 mostra dois venturis 32, 33. Pode haver qualquer número de venturis em paralelo e, tipicamente, há em torno de um para seis. No venturi 32, um combustível é injetado através da janela de injeção de combustível primário 34 na seção convergente 36. O jato a partir desta janela cria uma pressão baixa na garganta de venturi 38, a qual aspira ar de combustão para o conjunto de venturi através da entrada de ar 40 e para uma entrada de ar anular 42 na seção convergente 36. O combustível e o ar se misturam na garganta de venturi 38 e o fluem através da porção divergente 42 e para o tijolo de queimador 60 do forno. A mistura de combustível e de ar passa através de um componente de resistência opcional 46, tal como uma grelha, e sai do conjunto de venturi 32 na saída de venturi 48. A saída 48 tipicamente não se projeta acima da superfície superior horizontal do tijolo 60. O conjunto de queimador

de soleira	como mostrado também	inclui	janelas	de
combustível	em	estágio	secundário	58 e	janelas	de
combustível	de	estágio	terciário 56	Estas	janelas	de

combustível em estágios tipicamente estão localizadas fora dos limites do invólucro de tijolo em si, mas passam através das bordas do tijolo. Elas injetam combustível em um ângulo na mistura de combustível e de ar que sai dos limites do invólucro de tijolo. O combustível que passa através destas janelas é considerado parte do combustível total para o queimador de soleira.

Se um registro de ar opcional 50 for incluído, o fluxo

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24/53 de ar poderá ser controlado de forma parcial manualmente pelo ajuste da posição vertical do registro de ar 50. Independentemente de o registro de ar 50 ser incluído, um fluxo de ar é adicionalmente controlado através da injeção de combustível, gás inerte ou de uma mistura de combustível e de gás inerte através de pelo menos uma entrada de gás secundário 52 posicionada a jusante da seção convergente e a montante de uma saída de venturi 48.

Na Fig. 2, a entrada de gás secundário 52 é posicionada na extremidade a jusante da porção divergente 42 do conjunto de venturi e abaixo da superfície do tijolo 49. Isto permite um envio conveniente do gás em uma localização acessível. Pela inclusão de pelo menos uma entrada de gás secundário 52, combustível adicional ou um gás inerte pode ser adicionado ao sistema nesta localização. Esta entrada pode ser empregada, por exemplo, quando o combustível sendo usado tem uma relação de ar para combustível estequiométrica baixa, tal como um combustível convencional de metano - hidrogênio. Para alguns tipos de combustível, a entrada de gás secundário pode não ser usada. Contudo, está presente de modo a acomodar uma variedade de tipos de combustível em um queimador único.

A entrada de gás secundário 52 pode ser posicionada em qualquer lugar a jusante da seção convergente 36 do conjunto de venturi e, usualmente, é posicionado na seção divergente 42 da seção tubular 54 que está a jusante da seção divergente 42. Mais de uma entrada de gás secundário pode ser incluída em um venturi único. Em alguns casos, a entrada de gás secundário 52 é posicionada próxima da saída de venturi, de modo a se evitar uma perturbação na

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25/53 recuperação de pressão na seção divergente 42. Embora não mostrado na Figura 2, o tubo que alimenta a entrada de gás secundário 52 entraria através da parede lateral do canal de venturi e viraria para cima.

O componente de resistência 46 é dimensionado não apenas para direcionamento do fluxo ou para a minimização do retorno de chama, mas também para controle da faixa do fluxo de ar pela provisão de uma queda de pressão sob vazões de janela secundária. A queda de pressão tem impacto sobre a pressão a jusante do venturi em um fluxo de aspiração de venturi constante, assim tendo um impacto sobre a vazão de ar aspirado.

A Fig. 3 mostra um exemplo de um conjunto de queimador de parede 80 para um forno de craqueamento provido com um conjunto de venturi 82. Pode haver qualquer número de venturis em paralelo. Tipicamente, em fornos de etileno, cada queimador de parede tem um conjunto de venturi. Múltiplos queimadores de parede podem estar localizados nas paredes do forno de etileno. No venturi 82, um combustível é injetado através da janela de combustível primário 84 e o ar de combustão é aspirado para o conjunto de venturi através das entradas de ar 88. O combustível e o ar se misturam no venturi e fluem para o forno através dos orifícios 92. O fluxo é dirigido radialmente ao longo das paredes do forno pelo emprego de um tampão 94 na saída do venturi. A combinação do tamanho do orifício 92 e da mudança de direção de fluxo criada pelo tampão 94 gera uma queda de pressão. Esta combinação provê controle do fluxo, bem como aumenta a velocidade da mistura conforme ela entra no forno para se evitar um retorno de chama. Caso um

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26/53 registro de ar opcional 96 seja incluído, o fluxo de ar pode ser parcialmente controlado de forma manual pelo ajuste da posição vertical do registro de ar 96. Independentemente de o registro de ar 96 ser ou não incluído, o fluxo de ar pode ser controlado através da injeção de combustível, gás inerte ou de uma mistura de combustível e gás inerte, através de pelo menos uma entrada de gás secundário 98 posicionada a jusante da seção convergente. Na Fig. 3, a entrada de gás secundário 98 está posicionada na seção divergente próxima, mas a montante da parede de forno 99. Pela inclusão de pelo menos uma entrada de gás secundário 98, um combustível adicional pode ser adicionado ao sistema nesta localização, quando o combustível sendo usado requerer uma relação de ar para combustível baixa, tal como um gás de síntese, e um gás inerte (ou nenhum gás) pode ser adicionado nesta localização, quando o combustível sendo usado requerer uma relação de ar para combustível mais alta, tal como um combustível convencional de metano - hidrogênio.

O conjunto de venturi, o conjunto de queimador e os métodos provêem a flexibilidade para controle da taxa de ar através de venturi de soleira e/ou de parede, para a obtenção das metas a seguir:

(a) com qualquer tipo de combustível, o uso da entrada de gás secundário em ambos os queimadores de soleira e de parede permite uma variação da divisão de ar entre os queimadores de parede e de soleira, enquanto se mantêm constantes as taxas de combustível e de ar totais para o forno. Uma taxa de combustível constante para os queimadores de soleira e uma taxa de combustível constante

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27/53 para os queimadores de parede também pode ser mantida. Este nível de controle é útil para a limitação da temperatura de metal de tubo máxima e para a extensão do comprimento de trecho. Uma redução na temperatura de metal máxima pode ser obtida a um acendimento constante pelo aumento da relação de ar para combustível nos queimadores de soleira e pela diminuição desta relação nos queimadores de parede. O uso de uma entrada de gás secundário permite que isto seja feito da maneira a seguir:

(1) para se aumentar a taxa de ar de soleira, um combustível é desviado a partir da entrada de gás secundário do conjunto de venturi no queimador de soleira para a janela de garganta do queimador de soleira. O fluxo maior de combustível de injeção primário resulta em uma aspiração aumentada do venturi e um fluxo de ar maior. Uma vez que o combustível aumentado para a garganta do venturi de soleira vem da janela de gás secundário, o combustível total para os venturis de soleira permanece não modificado. Isto minimiza o impacto sobre a qualidade da chama.

(2) Para se manter a taxa de ar total constante, o oposto é feito nos queimadores de parede, isto é, um combustível é removido da janela de injeção primária de garganta de venturi de queimador de parede e movido para a entrada de gás secundário no conjunto de venturi de queimador de parede. Isto reduz o ar aspirado de queimador de parede, reduz o ar total através dos queimadores de parede, e mantém o combustível de queimador de parede total constante. O efeito líquido é aumentar a taxa de ar nos queimadores de soleira, diminuir a taxa de ar nos queimadores de parede e manter o ar total constante. No

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28/53 lado de combustível, as taxas de combustível de queimador de soleira e de parede não são modificadas. Isto minimiza o efeito sobre o formato da chama e o possível efeito adverso sobre a temperatura de metal de tubo.

b) como uma alternativa para a mudança de combustível, um gás inerte, tal como nitrogênio ou vapor, ou uma mistura de gás inerte e de combustível, pode ser usado na janela de gás secundário. Pelo aumento do fluxo total (ar mais combustível mais gás inerte) através da resistência e da saída, o perfil de pressão pelo venturi será mudado. A pressão a jusante da garganta será aumentada e, assim, para um fluxo de aspiração de injeção primária constante, o fluxo de ar será reduzido. Assim, o controle é provido para o ajuste da taxa de ar total para o forno, sem uma mudança da taxa de combustível total. Simulações em computador mostram que, dependendo do coeficiente de resistência do componente de resistência localizado na saída de venturi, um aumento no fluxo de gás através da janela de gás secundário pode aumentar ou diminuir a taxa de ar através do venturi. Assim, o controle é provido para ajuste da taxa de ar total para o forno, sem mudança da taxa de combustível total. Simulações computacionais mostram que, dependendo do coeficiente de resistência do componente de resistência localizado na saída de venturi, um aumento no fluxo de gás através da janela de gás secundário pode aumentar ou diminuir a taxa de ar através do venturi. Assim, orifício pode ser projetado, com sua janela como uma parte integral, para se permitir uma variação do fluxo de ar por uma faixa desejada. Isto pode ser feito sem se ter que ajustar as regulagens de posição de registro. Isto

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29/53 provê uma acurácia melhorada e uma eficiência no ajuste do sistema, se comparado com aqueles que apenas usam registros.

Um novo sistema de controle de acendimento para um queimador é provido aqui. Tipicamente, o combustível para um conjunto de queimadores passa através de um sistema de coletor, que pode ou não ter dispositivos de controle de fluxo individuais para controlar o fluxo de combustível e, daí, da entrada de calor para o forno. O fluxo de combustível gasoso tipicamente é controlado pelo ajuste da pressão no coletor, e, assim, o fluxo pelas resistências dos orifícios de combustível pequenos no queimador é determinado. Uma pressão de coletor mais baixa equivale a um fluxo mais baixo. O fluxo de ar é controlado por meio de registros, velocidade de ventiladores de tiragem induzida ou por um controle direto do fluxo de ar a partir dos sopradores provendo um fluxo de pressão positiva para o queimador ou por combinações dos acima. Uma nova técnica de controle de fluxo de ar é descrita aqui.

A relação de combustível para a janela de combustível primário e a janela de gás secundário do conjunto de venturi permite mudanças no fluxo de ar através do venturi. Conforme é descrito acima, o fluxo de ar para queimadores individuais pode ser controlado pela mudança destas relações. Para o caso com ambos queimadores de parede e de soleira, a vazão de combustível para a janela de injeção primária de queimador de soleira pode ser aumentada, enquanto a vazão de combustível para a janela secundária no conjunto de venturi é diminuída, desse modo se aumentando o ar extraído pelo queimador de soleira. De modo similar, o

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30/53 combustível na janela primária do queimador de parede pode ser reduzido e o combustível para a janela secundária no conjunto de venturi de queimador de parede aumentado, desse modo se reduzindo o ar extraído pelos queimadores de parede. No total, a uma vazão de combustível total para o forno constante, pode-se mudar a relação de fluxo de ar dividido entre a soleira e a parede, sem mudança do fluxo de combustível geral ou do fluxo de ar geral.

Se o fluxo de ar total para o forno for para ser aumentado ou diminuído, sem ajuste da divisão de fluxo de ar entre os queimadores de soleira e de parede, o fluxo para as janelas de injeção primária em ambos os venturis de parede e de soleira poderá ser aumentado ou diminuído com um ajuste subseqüente para as entradas de gás de conjunto de venturi secundário para manutenção do fluxo de combustível constante.

Em uma modalidade do sistema de controle de acendimento, as vazões através dos primeiro e segundo dispositivos de controle de fluxo são variadas, dependendo de pelo menos um dentre a composição do combustível, o valor de aquecimento do combustível, o teor de oxigênio na saída de aquecedor e a vazão de ar desejada através do conjunto de venturi.

A Fig. 4 mostra um sistema de controle 100 para um conjunto de venturi 102 configurado para acender um único tipo de combustível. Uma linha de combustível principal 150 se divide em uma linha de combustível primário 151 e uma linha de combustível secundário 154. A linha de combustível primário 151 tem uma válvula de controle de fluxo 160. A linha de combustível secundário 154 tem uma válvula de

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31/53 controle de fluxo 162. Em alguns casos, uma linha de gás inerte 156 com uma válvula de controle de fluxo 164 se conecta à linha de combustível secundário 154 a jusante do dispositivo de controle de fluxo 162, para a formação da linha de entrada 158, a qual introduz combustível e/ou gás na entrada de gás secundário 152. O sistema de controle de combustível pode ser combinado com a variável de sistema de controle convencional (velocidade de ventilador de tiragem induzida) para a obtenção de uma faixa mais ampla de controle. Uma vez que o controle da relação de ar para combustível pode ser obtido usando-se dispositivos de controle de fluxo, tais como reguladores de pressão ou válvulas de fluxo, este sistema pode ser configurado para controle remoto ou por computador. A velocidade do ventilador pode ser usada para variação da pressão dentro do forno (tiragem) e, assim, mudança do perfil de pressão pelo conjunto de venturi e, assim, mudança do fluxo de ar através do conjunto de venturi. Estes dispositivos funcionam em resposta a uma medida de fluxo de ar e/ou relação de ar / combustível, tal como um analisador de oxigênio.

A Fig. 5 mostra esquematicamente um exemplo de um sistema de controle de acendimento designado geralmente como 200 para um queimador de soleira 202 configurado para acendimento de forma alternativa de combustíveis com valores de aquecimento significativamente diferentes. Um sistema similar pode ser usado para um queimador de parede. Este sistema é projetado para permitir um acendimento controlado de dois combustíveis com valores de aquecimento amplamente diferentes. O sistema combina o sistema de

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32/53 controle de venturi com um dispositivo analítico e admissões para que as ramificações adicionais lidem com um fluxo em volume mais alto do combustível de valor de aquecimento mais baixo. Estas são ativadas conforme a composição de combustível mudar, para se permitir a mesma entrada de calor em um fluxo de volume total mais alto. Conforme é mostrado na Fig. 5, um primeiro combustível é alimentado através da linha de combustível 204. Um segundo combustível pode ser alimentado através de uma segunda linha de combustível 203. Estas linhas de combustível usualmente são usadas para o envio alternadamente de tipos diferentes de combustível para a linha de combustível 205. A linha de combustível 205 supre combustível para uma linha de combustível de injeção de venturi primário 206, uma linha de gás de conjunto de venturi secundário, uma linha de combustível opcional 210 para uma segunda fileira de ramificações em estágio secundárias, uma linha de combustível de ramificação em estágio terciário opcional 212, uma linha de combustível de ramificação de estabilização de parede (WS) primário opcional 214, e uma linha de combustível de ramificação de estágio de parede secundário opcional 216. Em alguns casos, um gás inerte é alimentado através da linha de gás de conjunto de venturi secundário 208 a partir da linha de gás inerte 220. A linha 220 utiliza um dispositivo de controle de fluxo 221.

O sistema de controle inclui uma primeira válvula de controle de fluxo 222 na linha de combustível primário 206 e uma segunda válvula de controle de fluxo 224 na linha de gás secundário 208. Está localizado na linha de combustível principal 205 um dispositivo para controle do fluxo de

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33/53 combustível total para o sistema de coletor descrito acima. Isto pode ser um medidor de fluxo, um regulador de pressão ou um outro dispositivo similar 225. Também está localizado na linha de combustível 205 um dispositivo analítico de composição de combustível ou de valor de aquecimento 227 que determina o valor de aquecimento do combustível sendo alimentado para o sistema. O controle computadorizado das vazões relativas através das linhas 206 e 208 pelo controle de relação ou uma outra técnica adequada permite o ajuste automático e rápido de relações de combustível / ar. Esta mudança pode ocorrer com base na análise de composição de combustível ou de oxigênio no efluente. É desejável controlar as vazões até um ponto em que haja uma quantidade pequena de oxigênio remanescente (tipicamente de 2% representando 10% de ar em excesso).

A pressão em várias localizações no venturi determina a vazão de ar aspirado para o venturi. As vazões de combustível nas linhas 207, 209, 212, 213 e 214 tipicamente fazem parte de um sistema de controle mais convencional, onde o fluxo é regulado pela pressão no sistema de coletor, e as dimensões dos orifícios de combustível nestas linhas, ou o fluxo pode ser determinado pelo tamanho de janela. Em um sistema de controle convencional, o fluxo na linha 206 também seria controlado pela pressão de coletor e não teria um dispositivo de controle. No sistema mostrado aqui, as linhas 206 e 208 utilizam os dispositivos de controle de fluxo 222 e 224, conforme descrito acima. A linha 210 utiliza o dispositivo de controle de fluxo 228. A linha 216 utiliza o dispositivo de controle de fluxo 230. As ramificações em estágio secundárias (linha 210) e as

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34/53 ramificações de estabilização de parede secundárias (linha 216) são usadas para o fluxo do combustível com o valor de aquecimento mais baixo. De modo a se manter uma entrada de calor constante para o aquecedor, um volume muito mais alto de fluxo de combustível é requerido do que para um combustível de valor de aquecimento mais alto. O volume do combustível de valor de aquecimento mais baixo pode ser tão alto quanto de 4 a 5 vezes para o combustível de valor de aquecimento mais alto. Para uma faixa ampla de valores de aquecimento volumétricos de combustível, a pressão requerida para a passagem desde fluxo em volume mais alto através de orifícios fixos seria excessivo. O dispositivo analítico 227 monitora continuamente o valor de aquecimento e/ou a composição de combustível na linha 205. Um exemplo de um dispositivo como esse é um medidor Wobbe. Se o dispositivo analítico 227 detectar um combustível de valor de aquecimento baixo, as linhas 210 e 216 poderão ser abertas por válvulas operadas por solenóide 228, 230 ou seu equivalente, respectivamente, que se ativasse com base na composição de combustível. Combustíveis convencionais ou de valor de aquecimento mais alto poderiam ser usados para o controle do fluxo. Pela adição de área de fluxo (mais janelas), o fluxo pode ser maior a uma pressão similar no coletor 205. É notado que reguladores de pressão ou outros dispositivos adequados podem ser usados no lugar de válvulas de controle de fluxo.

Através do uso dos dispositivos de controle de fluxo (por exemplo, válvulas de controle de fluxo ou reguladores de pressão, por exemplo), a relação de fluxo entre a janela de venturi primária e a janela de estequiométrica

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35/53 secundária a jusante pode ser ajustada, para a obtenção de um controle de fluxo de ar e, assim, um controle da relação de ar para combustível. O fluxo para a janela secundária do conjunto de venturi pode incluir uma opção para uso de um outro gás além de combustível. É notado que os reguladores de pressão são os dispositivos preferidos, uma vez que a pressão nos coletores (na linha 205 ou nas linhas individuais 206 e 208) determina o fluxo de combustível com orifícios fixos nas ramificações de injeção de combustível.

Em uma modalidade, o sistema de controle da Fig. 5 ativa as válvulas de controle de fluxo pela detecção de mudanças significativas na composição de gás combustível. Estas diferenças podem ser detectadas on-line pelo uso de uma instrumentação, tal como um medidor Wobbe, que determina o valor de aquecimento do gás combustível. Se o valor de aquecimento volumétrico do novo gás combustível for tal que haja limitações devido à geometria das janelas existentes e à pressão disponível para fluxo, estas janelas adicionais (na posição de janela em estágio secundária ou na parede ou em outro lugar na fornalha) poderão ser abertas e o volume adicional acrescentado à fornalha. É notado que variações são possíveis na localização das janelas de combustível.

O controle do fluxo de ar através do uso de um sistema do tipo de válvula fluídica do tipo mostrado aqui minimiza a exigências para um ajuste contínuo de registros ou ventiladores de tiragem induzida usados atualmente para o controle do fluxo de ar. O controle de registros nos muitos queimadores que existem em fornos típicos envolve o uso de eixos intermediários que são trabalhosos e não prontamente

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36/53 aptos a um controle externo. Os eixos intermediários não podem ser empregados facilmente em queimadores de parede. Este controle externo da relação de ar para combustível no aquecedor (usado para controle da eficiência do forno em geral pelo gerenciamento do ar em excesso de padrões de chama individuais pelos ajustes específicos para registros individuais que podem ser simplificados pelo controle dos dispositivos de fluxo de combustível (pressão ou fluxo) externamente.

Uma modalidade adicional é um forno que compreende uma pluralidade de queimadores de soleira, uma pluralidade de queimadores de parede, um primeiro conjunto de ramificações em estágio secundárias para os queimadores de soleira e um segundo conjunto de ramificações em estágio secundárias para os queimadores de soleira. Apenas o primeiro conjunto de ramificações em estágio secundárias é usado com combustíveis de valor de aquecimento mais alto, enquanto ambos os primeiro e segundo conjuntos de ramificações em estágio secundárias são usados com combustíveis de valor de aquecimento mais baixo. Em muitos casos, os queimadores de soleira são configurados para operarem de forma intercambiável com os combustíveis de valor de aquecimento alto e combustíveis de valor de aquecimento baixo. A performance geral do forno seria monitorada pelos dispositivos analíticos na performance de processo e pela análise do oxigênio e de outros componentes de gás de combustão na chaminé do forno. Por exemplo, se o processo pedisse um aumento ou uma diminuição na carga do processo, a pressão de combustível total no coletor poderia ser elevada ou diminuída, para a provisão de mais combustível.

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37/53

Em resposta, a relação de acendimento entre as entradas primária e secundária no conjunto de venturi poderia ser ajustada para a provisão de um fluxo de ar mais alto ou mais baixo, conforme requerido para manutenção de um nível especificado de oxigênio no forno para uma performance ótima do forno inteiro (excesso ligeiro).

Os exemplos a seguir são incluídos para ilustração de certos aspectos das modalidades mostradas, mas não são pretendidos para limitação do escopo da exposição.

Exemplo 1

Uma simulação computacional de dinâmica dos fluidos (CFD) foi conduzida para um forno empregando queimadores de soleira e de parede usando conjuntos de venturi de queimador em que quantidades variáveis de combustível foram injetadas através da janela primária e através da janela de gás secundário. As simulações de CFD para todos os exemplos foram realizadas usando-se Fluent, um pacote de software comercialmente disponível a partir da Fluent, Inc. Outros pacotes de software podem ser utilizados para a recriação dos resultados descritos aqui. O conjunto de queimadores de soleira tinha um total de 12 conjuntos de venturi e os queimadores de parede tinham um total de 18 conjuntos de venturi. Os conjuntos de venturi para os queimadores de parede tinham uma capacidade de fluxo maior do que aqueles para os queimadores de parede. O combustível era um combustível de valor de aquecimento mais alto em 832 BTU/stdcuft (30999 kJ/m³) . Não houve componentes de resistência incluído nas saídas de venturi. Os fluxos de ar através dos conjuntos foram calculados, bem como a temperatura de metal de tubo máxima da serpentina de

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38/53 aquecimento. Os resultados são mostrados abaixo na Tabela

1.

TABELA 1

Exemplo N°	1A	1B	1C
Combustível (kg/s)
Combustível de soleira
Garganta de venturi	0,0974	0,1363	0,1908
Segunda janela de venturi	0,0934	0,0545	0
Combustível de estágio secundário	0,0629	0,0609	0,0609
Combustível de estágio terciário	0,0015	0,0015	0,0015
Total:	0,2652	0,2652	0,2652
Combustível de parede
Garganta de venturi	0,360	0,324	0,265
Segunda janela de venturi	0,342	0,702	0,1292
Total:	0,3942	0,3942	0,3942
Ar (kg/s)
Ar da soleira	5,043	5,492	6,069
Ar da parede	7,200	6,76	6,042
Total:	12,24	12,25	12,10

T máxima de tubo de metal, K	1300	1288	1270

Conforme pode ser visto a partir da Tabela 1, conforme o combustível é mudado das janelas de venturi primária para secundária para os conjuntos de venturi de queimador de soleira e de parede, o fluxo de ar a partir dos queimadores de soleira é aumentado, enquanto o fluxo de ar a partir dos queimadores de parede é diminuído. O combustível para as 10 ramificações de estágio secundário no queimador de soleira permanece não mudado. Conforme também é mostrado na Tabela 1, a temperatura de metal de tubo máxima diminuiu quando o

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39/53 ar foi movido dos queimadores de parede para os queimadores de soleira pela mudança do combustível de soleira e/ou de parede usando-se a janela secundária.

Exemplo 2

Uma simulação de CFD foi conduzida para um conjunto de venturi com uma grelha na saída, em que o fluxo de gás de janela secundária foi variado. O gás usado foi vapor. O fluxo de combustível de injeção primário foi constante. A taxa de ar aspirado foi determinada como uma função da taxa de vapor através da janela secundária e do coeficiente de resistência de grelha. Os resultados são mostrados conforme mostrado nas Fig. 6 e 7.

Conforme mostrado na Fig. 6, a queda de pressão através da extremidade a jusante do venturi dependeu do coeficiente de resistência do componente de resistência. O coeficiente de resistência C é definido como a queda de pressão através do componente de resistência dividida pela altura hidrostática de velocidade do fluxo. Isto é mostrado na equação abaixo.

ΔΡ = CpV², onde P é o AP é a perda de pressão, ρ é o peso específico do gás e V é a velocidade do gás.

Quando nenhum componente de resistência de fluxo foi incluído, resultando em um coeficiente de resistência C de 0, a vazão de ar aspirado para a entrada de ar do venturi aumentou, conforme a taxa de vapor através da janela de gás secundário aumentou. Isto foi porque a introdução de vapor aumentou a velocidade da mistura de ar - combustível, desse modo se diminuindo a pressão na garganta do venturi. Uma vez que a perda de pressão geral através do queimador permaneceu a mesma (ambiente para pressão dentro do forno),

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40/53 a pressão mais baixa na garganta resultou em uma vazão de aspiração de ar maior.

Quando o componente de resistência de fluxo tinha um coeficiente de resistência de 570, a vazão de ar aspirado para o venturi ficou quase a mesma, já que a taxa de vapor para a janela de gás secundário aumenta, porque a perda de pressão através do componente de resistência foi compensada por uma pressão a montante mais alta na seção divergente do venturi, resultado do fluxo de ar aumentado na garganta do venturi. Quando o componente de resistência a fluxo tinha um coeficiente de resistência de 1000, a vazão de ar aspirado para a entrada de ar do venturi diminui, conforme a vazão para a janela de gás secundário aumentou, porque uma pressão mais alta (velocidade mais baixa) foi necessária na seção divergente do venturi para compensação pela perda de pressão maior através do componente de resistência.

A Fig. 7 mostra um gráfico dos mesmos dados da Fig. 6, mas com a relação de ar para combustível mostrada no eixo Y. Este gráfico mostra que a relação de ar para combustível pode ser controlada pela introdução de um gás inerte, tal como vapor, na extremidade a jusante do venturi.

Exemplo 3

Uma simulação de CFD foi conduzida do controle de um conjunto de venturi no qual o fluxo de gás de janela secundária em um venturi foi variado, enquanto se mantinha o combustível total constante. Isto representa o controle de fluxo que pode ser obtido com uma entrada de calor constante para um forno. O gás usado foi um combustível de valor de aquecimento mais baixo. A taxa de ar aspirado foi

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41/53 determinada como uma função do percentual do combustível total alimentado através da janela secundária, do diâmetro D da garganta e do coeficiente de resistência de grelha. Os resultados são mostrados na Fig. 8.

Conforme pode ser visto a partir da Figura 8, como a percentagem do combustível total é mudada a partir da ramificação primária para a secundária, o fluxo de ar varia em aproximadamente 30% pela faixa considerada. As variáveis de projeto do diâmetro de venturi e a magnitude de resistência a fluxo podem ser ajustadas para se mover esta faixa de controle para um número de vazões de ar absolutas diferentes.

A Figura 9 representa estes resultados em termos de relação de ar para combustível. Independentemente de o coeficiente de resistência C ter sido 0 ou 570, a relação de ar para combustível aumentou conforme a percentagem do combustível total para a extremidade a jusante do venturi diminuiu.

Pela mudança de uma percentagem maior do combustível para o ponto de injeção primário, mais ar é aspirado e a relação de ar para combustível aumentada. Isto mostra que a relação de ar para combustível pode ser controlada para um dado combustível a uma entrada de calor constante para um aquecedor.

Exemplo 4

Uma simulação de CFD foi rodada para se determinar a possibilidade de uso de um sistema de acendimento único incluindo janelas de injeção de combustível com orifícios fixos em toda entrada de combustível para acendimento de um combustível convencional de valor de aquecimento

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42/53 volumétrico alto e um combustível de valor de aquecimento volumétrico baixo de gás de síntese no mesmo sistema. O combustível convencional era 90% em mol de CH4, 10% em mol de H2. O gás de síntese era 43,6% em mol de CO, 37,1% em mol de H2, e 19% em mol de CO2. A taxa de acendimento foi de 225 MMBTU/h (65,942 MW) LHV (valor de aquecimento mais baixo). O caso 4A usou um combustível convencional e o Caso 4B usou gás de síntese.

Os casos foram rodados em um modelo de queimador múltiplo representando metade de um forno. Os queimadores de soleira incorporaram o conjunto de venturi da Fig. 1 com uma resistência de grelha para se evitar um retorno de chama. Os queimadores de parede empregaram o conjunto de venturi da Fig. 1. Os queimadores de parede incluíam um salto poroso no plano no qual o combustível de garganta primário foi adicionado. Isto simulou o uso de um registro a montante do ponto de injeção de combustível.

O fluido de processo entrou na zona radiante do queimador em condições equivalentes para todos os casos. O forno empregava ramificações de estabilização de parede (internas e externas - linhas de referência 209 e 210 na Figura 5). Os resultados desta simulação são mostrados na Tabela 2.

Para o caso 4A, o combustível convencional, o sistema foi operado com válvulas para a fileira secundária de ramificações em estágios e as ramificações de combustível de parede secundário fechadas. Uma vez que este combustível tem um valor de aquecimento mais alto, o fluxo em volume é mais baixo e estes não são requeridos. Os queimadores de soleira operaram com combustível na janela de injeção

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43/53 primária e nenhum na janela secundária do conjunto de venturi. Assim, a válvula na linha 208 (Fig. 5) estava fechada. A relação de ar para combustível para o forno total foi de 19,36. Esta relação representa 9,3% de ar em excesso. Os queimadores de soleira operaram a uma relação de ar para combustível combinada de 21,57. Os queimadores de parede também operaram com combustível na janela de injeção primária e nenhum na janela secundária do conjunto de venturi. Houve uma pequena quantidade de combustível acesa através das ramificações de estabilização de parede primárias para a estabilização da chama e para manutenção dela contra a parede (WS). Os queimadores de parede também operaram a uma relação de ar para combustível ligeiramente acima da estequiométrica, considerando-se apenas o ar e o combustível que passaram através do conjunto de venturi. Houve um fluxo para a fileira interna de ramificações em estágio secundárias no queimador de soleira, mas nenhum para a fileira externa de ramificações em estágio secundárias. A pressão no coletor (linha 205 na Figura 5) foi determinada como sendo de 39,5 psig (272,3 kPa) para se atingirem as taxas de combustível desejadas para estes orifícios.

Quando disponível, é economicamente vantajoso empregar o combustível de gás de síntese de valor de aquecimento mais baixo. O gás de síntese tem um peso molecular mais alto, mas um valor de aquecimento mais baixo em uma base volumétrica. Um medidor de composição pode detectar estas diferenças e fazer as mudanças a seguir. As válvulas para a fileira externa de ramificações em estágio secundárias e a segunda fileira de ramificações de estabilização de parede

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44/53 são abertas, para se permitir o fluxo em massa mais alto (as válvulas 228 e 230 na Figura 5) . O aquecedor então é equilibrado (por um controle em computador, se desejado) pelo ajuste da pressão na linha de coletor principal 205 na Figura 5 (para controle da entrada de combustível total) e a relação dos fluxos entre as janelas primárias e secundárias nas linhas de conjunto de venturi 206 e 208 na Figura 5 é ajustada pelo ajuste das válvulas (222 e 224 na Figura 5). Os fluxos equilibrados são mostrados como o caso 4B. É importante notar que houve um aumento de fluxo considerável nas janelas de venturi secundárias para os queimadores de soleira e de parede. Para o caso de gás de síntese, o fluxo de injeção de ramificação primária para os queimadores de parede foi parado, uma vez que a quantidade mais baixa requerida do ar pode ser obtida através de uma tiragem de forno apenas. As ramificações em estágio secundárias viram uma quantidade substancial de fluxo e a maior parte do fluxo de combustível de estabilização de parede adicional foi através das ramificações de estabilização de parede secundárias. A pressão no coletor foi determinada como sendo de 34,9 psig (240,63 kPa). Nenhuma mudança na posição do registro de ar ou na velocidade de ventilador de tiragem induzida foi requerida.

As condições de processo permaneceram idênticas. A temperatura de saída de serpentina (indicativa da performance) é constante em essencialmente 1095 K. O teor de oxigênio na saída de forno é equivalente (1,86 versus 2,0% de O2 na chaminé). Note que um refinamento ligeiro adicional sempre é possível.

Este exemplo mostra a capacidade do sistema de

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45/53 conjunto de venturi de mudar de um combustível para um outro sob o controle, sem requerer quaisquer mudanças nos componentes físicos e sem impingir sobre a performance do processo.

TABELA 2

Exemplo N°	4A	4B
	Combustível	Combustível de
	convencional	gás de síntese
Condições de Processo
Taxa de alimentação, kg/s	7,4	7,4
T de passagem, K	839	839
Vapor / Óleo	0,4	0,4
	Taxas de combustível, kg/s
Condições de Acendimento
Soleira
Garganta Primária de Venturi	0,1908	0,216
A Jusante do Venturi	0	0,538
Fileira Interna em Estágio	0,0629	0,0629
Secundária
Fileira Externa em Estágio	0	0,411
Secundária
Terciária	0,0115	0,0559
Soleira total:	0,2652	1,284

Parede
Venturi Primário	0,324	0
Venturi a Jusante	0	0,3
Queimador de parede Total	0,324	0,3

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46/53

WS (total de ambas as fileiras)	0,0702 (ramificações de WS primárias apenas)	1,605

Combustível total (soleira + parede + WS)	0,6594	3,189

Taxas de ar, kg/s
Soleira	5,72	3,79
Parede	7,05	5,95
Ar total	12,77	9,74
Relação de Ar para Combustível
Total (com todo o combustível)	19,36	3,05
Soleira (sem combustível de estabilização de parede)	21,57	2,95
Parede (incluindo combustível de estabilização de parede)	17,88	3,12

Performance de Processo / Forno
T de Saída de Serpentina, K	1095	1091
T de Parede de Ligação, K	1422	1446
% em mole de O2 de gás de combustão	0,0186 (9,3% de ar em excesso)	0,020 (10% de ar em excesso)
TMT máx., K	1290	1265

Exemplo 5

Uma simulação de CFD foi rodada usando-se ambos combustível convencional e gás de síntese. Neste caso, um tampão de resistência foi adicionado aos queimadores de 5 parede para direcionamento do fluxo a partir destes queimadores ao longo da parede. A adição desta resistência

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47/53 com um volume de fluxo de gás de síntese diminuiu as vazões de ar. Os resultados são mostrados abaixo na Tabela 3, que compara os casos sem resistência 4A e 4B com os casos com resistência 5A e 5B.

TABELA 3

Exemplo N°	5A	4A	5B	4B
	Combustível convencional	Combustível	de gás de
			síntese
	Resistência	Sem	Resistência	Sem
	de Parede	Resistência	de Parede	Resistência
		de Parede		de Parede
Taxa de	7,4	7,4	7,4	7,4
alimentação,
kg/s
T de passagem,	839	839	839	839
K
Vapor / Óleo	0,4	0,4	0,4	0,4
	Taxas de combustível, kg/s
Soleira
Garganta	0,1908	0,1908	0,100	0,216
Primária de
Venturi
A Jusante do	0	0	0,654	0,538
Venturi
Primário
Fileira Interna	0,629	0,629	0,629	0,629
em Estágio
Secundária
Fileira Externa	0	0	0,411	0,411
em Estágio

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Secundária
Terciária	0,115	0,115	0,559	0,559
Soleira total	0,2652	0,2652	1,284	1,284

Parede
Garganta de Venturi Primário	0,324	0,324	0	0
Venturi a Jusante	0	0	0,3	0,3
Parede Total	0,324	0,324	0,3	0,3

WS	0,702	0,702	1,605	1,605

Combustível total	0,6594	0,6594	3,189	3,189

	Taxas de ar, kg/s
Soleira	5,673	5,72	5,64	3,79
Parede	7,509	7,05	4,17	5,95

Ar total	13,182	12,77	9,81	9,74

Relação de Ar para Combustível
Total (com estabilização de parede)	19,99	19,36	3,08	3,05

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49/53

Soleira (sem combustível de estabilização de parede)	21,39	21,57	4,39	2,95
Parede	19,05	17,88	2,19	3,12
(incluindo
estabilização
de parede)

T de Saída de	1090	1095	1087	1091
Serpentina, K
T de Parede de	1395	1422	1406	1446
Ligação, K
Fração em mole	0,0246	0,0186 (9,3%	0,0243 (12%	0,020 (10%
de O2 de gás de	(12,3% de ar	de ar em	de ar em	de ar em
combustão	em excesso)	excesso)	excesso)	excesso)
TMT máx., K	1290	1290	1268	1265

Garganta
Primária
P de entrada de	40,0	39,5	63,0	34,9
janela, psig
(x6,8947 kPa)

Conversão C5, %	75,6	76,2	71,0	72,3

Conforme mostrado na Tabela 3, a adição do tampão aos queimadores de parede para direcionamento do fluxo ao longo das paredes diminuiu o fluxo de ar de queimador de parede no fluxo de janela de venturi primária equivalente pelo 5 aumento da perda de pressão através do sistema. Para

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50/53 compensação disto, a pressão no coletor aumentou apenas ligeiramente para o combustível de valor de aquecimento alto, mas substancialmente para o combustível de valor de aquecimento mais baixo, devido a seu fluxo em volume muito mais alto (de 34,9 psig (240,63 kPa) para 63 psig (434,37 kPa)). A perda de ar do queimador de parede devido à perda de pressão mais alta através daquele conjunto de venturi requereu que mais ar fosse suprido pelo queimador de soleira. Conforme pode ser visto, a injeção de combustível primário para os queimadores de soleira aumentou de 0,216 para 0,432 kg/s e o fluxo para a janela a jusante diminuiu de 0,538 para 0,322 kg/s. Isto aumentou o fluxo de ar de soleira a partir de 3,79 para 5,115 kg/s. O ar total para o aquecedor permaneceu essencialmente constante para cada combustível, respectivamente.

A adição da resistência mudou a faixa de controle do conjunto de venturi, mas, em todos os casos, uma operação estável e uma performance de processo consistente foi obtida, sem a necessidade de mudança das posições de registro de ar e/ou de velocidade de ventilador de tiragem induzida. Note que a adição do tampão ao queimador de parede é uma escolha de projeto, não uma variável a ser modificada on-line.

Exemplo 6

Uma simulação de CFD foi rodada para se mostrar o efeito da adição de combustível secundário em várias localizações, incluindo na porção de garganta do venturi, na porção divergente e na porção reta a jusante da porção divergente, conforme mostrado no conjunto de venturi da Fig. 1. Os resultados são mostrados na Tabela 4 e na Fig.

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51/53 .

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TABELA 4

Garganta	A Jusante	Ar	Ar	Ar de	Ar para	Ar para	Ar para	Combustível
kg/s	kg/s	Expandido,	Divergente,	Garganta,	Combustível	combustível	combustível	a jusante
		kg/s	kg/s	kg/s	expandido	divergente	garganta	fração
0,002	0,019	0,136	0,1548	0,1505	6,47619	7,371429	7,1666667	0,904762
0,004	0,017	0,1545	0,1682	0,1586	7,357143	8,009524	7,552381	0,809524
0,006	0,015	0,1734	0,1871	0,1701	8,257143	8,909524	8,1	0,714286
0,008	0,013	0,1887	0,2004	0,1803	8,985714	9,542857	8,585714	0,619048
0,01	0,011	0,2019	0,2159	0,1918	9,614286	10,28095	9,133333	0,52381

52/53

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53/53

Conforme pode ser visto pelos dados na Tabela 4, o ponto de injeção de gás secundário pode estar em qualquer localização a jusante da porção convergente do venturi. Contudo, a faixa de controle e a resposta podem ser 5 diferentes, dependendo da localização e das taxas de combustível de entrada de ar, combustível e gás secundário.

Será apreciado que vários dos recursos e das funções mostrados acima e outros, ou alternativas para os mesmos, podem ser combinados desejavelmente em muitos outros 10 sistemas ou aplicações diferentes. Também, que várias alternativas presentemente não divisadas ou não previstas, variações ou melhoramentos ali podem ser subseqüentemente feitos por aqueles versados na técnica, os quais também se pretende que estejam englobados pelas reivindicações a 15 seguir.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de controle da relação de ar para combustível em um queimador que compreende um conjunto de venturi (10), o método compreende:

misturar ar e combustível no conjunto de venturi (10), o conjunto de venturi (10) tendo:

uma entrada de ar a montante (14), uma porção convergente (12) com uma entrada de combustível de injeção primário (16), uma porção de garganta (18) a jusante da porção convergente (12),

uma porção divergente (20) a jusante da porção de garganta (18) , uma saída (24), e uma entrada de gás secundário (22) disposta a jusante da porção convergente (12) e a montante da saída (24), o método caracterizado pelo fato de a etapa de

misturar compreender:

introduzir combustível na entrada de combustível de injeção primário (16), receber ar através da entrada de ar (14) por aspiração, alimentando um gás através da entrada de gás secundária (22), e ajustar a vazão e o teor do gás alimentado através da entrada de gás secundária (22) para ajustar a relação de ar para combustível desejada através da saída (24).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o combustível ter um valor de

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2/9 aquecimento na faixa de 3726 kJ/m³ (100 BTU/stdcuft) a

44711 kJ/m³ (1200 BTU/stdcuft).
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o combustível ser um combustível convencional ou um gás de síntese, e o combustível convencional e o gás de síntese serem alimentados de forma intercambiável.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o gás alimentado através da entrada de gás secundário (22) ser combustível.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o gás alimentado através da entrada de gás secundário (22) ser um gás inerte.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o combustível e um gás inerte serem alimentados de forma intercambiável através da entrada de gás secundário (22).
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma mistura de combustível e de um gás inerte ser alimentada através da entrada de gás secundário (22).
8. Método, de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de a entrada de gás secundário(22) ser disposta a jusante da porção de garganta (18).
9. Método, de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de o conjunto de venturi (10) incluir uma porção tubular (23) a jusante da porção divergente (20), e a entrada de gás secundário (22) ser formada na porção tubular (23).
10. Método, de acordo com a reivindicação 1,

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3/9 caracterizado pelo fato de ainda compreender a alteração de pelo menos uma dentre a direção de fluxo e a velocidade de fluxo a jusante da entrada de gás secundário (22).

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a alteração de pelo menos uma dentre a direção de fluxo e a velocidade de fluxo ser efetuada com um componente de resistência a fluxo (46).

12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o queimador ser um queimador de soleira (202). 13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o queimador ser um queimador de parede. 14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um ventilador de tiragem induzida ser incluído a jusante da saída (24). 15. Método, de acordo com a reivindicação 1,

caracterizado pelo fato de um registro (50) ser incluído a montante do conjunto de venturi para a provisão de controle adicional da vazão de ar através da entrada de ar.

16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os combustíveis tendo um valor de aquecimento volumétrico na faixa de 3726 kJ/m³ (100 BTU/stdcuft) a 44711 kJ/m³ (1200 BTU/stdcuft) poderem ser usados de forma intercambiável.
17. Método de acendimento de um aquecedor que tem pelo menos um queimador, que compreende um conjunto de venturi (10) , o método é caracterizado pelo fato de compreender o método de controlar a relação de ar para combustível em pelo menos um queimador, como definido na reivindicação 1.

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4/9
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de um combustível de valor de aquecimento baixo e um combustível de valor de aquecimento alto poderem ser usados de forma intercambiável.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o gás compreender um combustível. 20. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o gás compreender um gás inerte. 21. Método, de acordo com a reivindicação 17,

caracterizado pelo fato de o conjunto de venturi (10) ter um componente de resistência (46) posicionado a jusante da entrada de gás secundário.
22. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o aquecedor ter uma pluralidade de queimadores de soleira e uma pluralidade de queimadores de parede, e o combustível ter um valor de aquecimento baixo, ainda compreendendo a alimentação de pelo menos uma porção do referido combustível de valor de aquecimento baixo através de pelo menos uma janela adicional posicionada em pelo menos uma dentre uma primeira localização adjacente aos queimadores de soleira e uma segunda localização na parede do aquecedor abaixo dos queimadores de parede e acima dos queimadores de soleira.
23. Queimador que inclui um conjunto de venturi (10), o conjunto de venturi (10) é caracterizado pelo fato de compreender:

uma entrada de ar (14), uma porção convergente (12) com uma entrada de

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5/9 combustível de injeção primário (16), uma porção de garganta (18) a jusante da porção convergente (12), uma porção divergente (20) a jusante da porção de garganta (18), uma saída (24), uma entrada de gás secundária (22) disposta a jusante da porção convergente (12) e a montante da saída (24), um primeiro dispositivo de controle de fluxo (160) configurado para controlar fluxo de entrada de combustível para a entrada de combustível de injeção primário (16), e um segundo dispositivo de controle de fluxo (162) configurado para controlar o fluxo de entrada para a entrada de gás secundário (22).
24. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de ainda compreender um componente de resistência (46) disposto a jusante da entrada de gás secundário (22).
25. Queimador, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de o componente de resistência (46) ser disposto próximo da saída (24).
26. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de o queimador ser um queimador de soleira.
27. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de o queimador ser um queimador de parede.
28. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de ainda compreender um registro (50) disposto a montante do conjunto de venturi.

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29. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de a entrada de gás secundário (22) ser configurada para ser conectada a uma linha de suprimento de pelo menos um dentre um combustível e um gás inerte.
30. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de a entrada de gás secundário (22) ser configurada para ser conectada a uma linha de suprimento de combustível e a uma linha de suprimento de gás inerte.
31. Queimador, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de o componente de resistência (46) alterar pelo menos uma dentre uma direção de fluxo e uma velocidade de fluxo.
32. Queimador, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de o queimador compreender uma pluralidade de conjuntos de venturi tendo uma entrada de gás secundário disposta a jusante da porção convergente e a montante da saída.
33. Forno, caracterizado pelo fato de compreender uma soleira, uma parede lateral, e um conjunto de queimador (30) com pelo menos um queimador como definido na reivindicação 23.
34. Forno, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato da vazão através do primeiro e segundo dispositivo de controle de fluxo (160, 162) ser variada dependendo de pelo menos uma da composição do combustível, do valor de aquecimento do combustível, do teor de oxigênio na saída do aquecedor e da vazão de ar desejada através do conjunto de venturi (102).

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35. Forno, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado por compreender ainda um conjunto de janelas de queimador em estágios em pelo menos uma da soleira e da parede, e um segundo dispositivo de controle de fluxo configurado para controlar o fluxo de entrada de gás secundária para o primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios.
36. Forno, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado por incluir ainda um terceiro dispositivo de controle de fluxo configurado para controlar o fluxo de entrada de um combustível com baixo valor de aquecimento para um segundo conjunto de janelas de queimador em estágios adjacentes ao primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios.
37. Forno, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado por incluir ainda um componente de análise de combustível (227) configurado para determinar pelo menos uma das composições e valor de aquecimento do combustível sendo alimentado à entrada de combustível de injeção primário.
38. Forno, de acordo com a reivindicação 37, caracterizado pelo fato de o primeiro e segundo dispositivo de controle de fluxo serem controlados pelo componente de análise de combustível (227).
39. Forno, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de compreender um sistema de controle de acendimento (200) que compreende ainda um componente de análise de combustível configurado para determinar se o combustível na entrada de combustível tem um valor de aquecimento mais baixo ou um valor de

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8/9 aquecimento mais alto.
40. Forno, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de pelo menos um dentre os primeiro e segundo dispositivos de controle de fluxo (160, 162) ser uma válvula.
41. Forno, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de pelo menos um dentre os primeiro e segundo dispositivos de controle de fluxo ser um regulador de pressão.
42. Forno, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de ainda compreender um registro (50) para ajudar no controle da vazão de entrada de ar.
43. Forno compreendendo uma soleira, uma parede lateral, uma entrada de combustível de forno, um queimador como definido na reivindicação 23, o forno é caracterizado pelo fato de a entrada de gás secundária (22) do conjunto de venturi ser configurada para ser conectada a uma linha de suprimento de um combustível, e um sistema de controle de acendimento (200) compreendendo um componente de análise de oxigênio configurado para determinar o teor de oxigênio pós-combustão do forno, o componente de análise de oxigênio sendo usado para o ajuste das vazões de combustível relativas para as primeira e segunda entrada de combustível do conjunto de venturi.
44. Forno caracterizado por compreender uma pluralidade de queimadores de soleira, uma pluralidade de queimadores de parede, e primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios para pelo menos uma da pluralidade de queimadores de soleira e a pluralidade de queimadores de parede, e um segundo conjunto de janelas de queimador em

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9/9 estágios adjacente ao primeiro conjunto, onde os queimadores são queimadores como definido na reivincação 23, e apenas o primeiro conjunto de janelas de queimador em estágios é usado com combustíveis de valor de aquecimento 5 mais alto, e onde ambos os primeiro e segundo conjuntos de janelas de queimador em estágios são usados com os combustíveis de valor de aquecimento mais baixo.
45. Forno, de acordo com a reivindicação 44, caracterizado pelo fato de os queimadores de soleira e os 10 queimadores de parede serem configurados para operarem de forma intercambiável com combustíveis de valor de aquecimento mais alto e combustíveis de valor de aquecimento mais baixo.