BRPI0922863B1 - Caldeira vertical de baixo nox do tipo invertida - Google Patents

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Nobuo Suemitsu
Sadayuki Muto
Shinichi Toda
Minoru Igarashi
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Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha
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Abstract

caldeira vertical de baixo nox do tipo invertida em uma caldeira de baixo nox da presente invenção, uma zona de combustão redutora de alta temperatura é provida para uma porção de extremidade superior de uma câmara de combustão tubular, e uma zona de combustão de dois estágios é formada na parte do meio da câmara de combustão. uma porção da parede da câmara de combustão que é localizada na parte mais baixa da zona de combustão de dois estágios é estrangulado em uma forma afunilada tendo um ângulo de cerca de 35 graus com relação a uma linha vertical, uma abertura de descarga de cinzas é provida no fundo da forma afunilada, e uma abertura de saída de fluxo de gás comunicando com um trajeto de introdução de gás é formada na superfície mais baixa da zona de combustão de dois estágios. o trajeto de introdução de gás é conectado a um processo de pós-processamento após passa através de um tubo de superaquecimento de vapor e um economizador.

Description

“CALDEIRA VERTICAL DE BAIXO NOX DO TIPO INVERTIDA” FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Campo da Invenção [0001] A presente invenção se refere a uma caldeira térmica configurada para obter energia pela combustão de combustível fóssil ou similar, e particularmente se refere a uma caldeira de baixo NOx, que pode reduzir a quantidade de descarga de NOx, sem preparação de qualquer aparelho de desnitração especial ou adicional. FUNDAMENTOS DA TÉCNICA [0002] Em geral, o termo “NOx” (que é descarregado pela combustão dos combustíveis fósseis ou similares) significa uma matéria gasosa contendo NO e NO2. Para a preservação ambiental, é necessário reduzir a descarga de tal gás de NOx estritamente. Entretanto, para retardar a secagem do combustível de óleo e economizar o custo de combustível, um combustível de baixa qualidade, contendo uma quantidade relativamente grande de materiais contendo nitrogênio, carvão residual e/ou materiais formadores de cinza, por exemplo, asfalto, coque de petróleo, lodo de esgoto carbonizado ou similar, foi usado ocasionalmente como um combustível de caldeira. No caso do uso de um tal combustível de baixa qualidade, a redução de uma carga ambiental indesejada devido ao gás de combustão de exaustão, por exemplo, combustão de baixo NOx, combustão de baixa fuligem e poeira ou similar, bem como operação contínua estabilizada da caldeira, por exemplo, controlar positivamente problemas de pó devidos à cinza de combustível, são amplamente requeridos. Em particular, no caso de uso do combustível de baixa qualidade contendo uma quantidade relativamente grande de nitrogênio e carvão residual, a redução da quantidade de descarga de NOx, fuligem e pó são requeridos mais estritamente que nunca anteriormente.
[0003] Como uma proposta para reduzir a quantidade de descarga de NOx da
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2/22 caldeira, um método de combustão de segunda etapa, um método de recirculação de gás de combustão ou similar, cada um utilizando o fenômeno que a quantidade de geração de NOx depende fortemente da pressão parcial de O2 bem como da temperatura de combustão, em uma região de combustão, foram reportados. O método de combustão de segunda etapa inclui uma primeira etapa de combustão do combustível, a uma temperatura relativamente alta, enquanto o ar de combustão fornecido para uma zona de queimador é mantido em uma condição reduzida inferior a uma relação de ar de combustão teórica, de forma a controlar a quantidade de geração de NOx, e uma segunda etapa de queimar ainda e completamente o combustível que ainda resta não queimado, a uma temperatura relativamente baixa, sob uma atmosfera oxidante, com ar excessivo separadamente fornecido, reduzindo assim substancialmente a quantidade de descarga de NOx. Em adição, o método de recirculação de gás de combustão inclui uma etapa de misturar ou incorporar uma parte do gás de combustão, de uma maneira de recirculação, ao ar de combustão, e então introduzir ar a alta temperatura, com pressão parcial de O2 abaixada, no gás misturado resultante, de forma a abaixar adequadamente a temperatura de chama, sob uma condição de lenta combustão, para efetivamente reduzir assim a quantidade de descarga de NOx.
[0004] Como a técnica convencional que emprega a tecnologia de combustão de segunda etapa, uma estrutura da caldeira de baixo NOx que foi criada pelo inventor deste pedido e foi descrita no Documento de Patente 1 é conhecida. Esta caldeira de baixo NOx, como mostrada na figura 10, é construída como indicado abaixo. Um material refratário 30 é afixado a uma parede circunferencial interna da caldeira. Uma zona de combustão redutora de alta temperatura 32 é provida em uma porção de base de uma câmara de combustão 33, e tem queimadores 31 montados em uma parede lateral da mesma. A zona de combustão de segunda etapa é provida
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3/22 acima da zona de combustão redutora de alta temperatura 32, via uma porção estreitada 34, e tem uma parede circunferencial interna formada em uma estrutura de parede d’água. Ainda, esta zona de combustão de segunda etapa inclui bocais de ar de combustão de segunda etapa 35, respectivamente afixados a uma parede lateral da mesma. Adicionalmente, um superaquecedor 37 é provido em uma porção superior da câmara de combustão 33.
[0005] Na zona de combustão redutora de alta temperatura 32, o combustível é inflamado, a uma concentração de combustível excessiva, com a temperatura mantida relativamente alta (por exemplo, aproximadamente 1500°C, em média). Então, o ar de combustão é novamente fornecido, a partir dos respectivos bocais de ar de combustão de segunda etapa 35, para o gás de combustão resultante que escoado para cima para dentro da zona de combustão de segunda etapa 36 através da porção estreitada 34. Desta maneira, a combustão do combustível pode ser completada, sob atmosfera oxidante, na temperatura relativamente baixa.
[0006] Como ilustrado por um resultado experimentado mostrado na figura 3, a quantidade total de produtos contendo nitrogênio (ou, contendo N), tais como NO e similar, gerados pela combustão, é diminuída quando a temperatura é elevada, sob uma atmosfera redutora da relação de ar inferior a um (ou seja, a relação de ar < 1), enquanto é diminuída quando a temperatura é abaixada na atmosfera oxidante para a relação de ar superior a um (ou seja, a relação de ar >1). Mais especificamente, a tecnologia de combustão de duas etapas, descrita no Documento de Patente 1, acima utiliza este fenômeno, a fim de reduzir efetivamente a geração de NOx durante a combustão do combustível contendo uma quantidade consideravelmente grande de nitrogênio. Mais especificamente, na caldeira de baixo NOx descrita no Documento de Patente 1, o combustível é primeiramente inflamado, a temperatura relativamente alta, sob a atmosfera redutora, na zona de combustão redutora de alta
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4/22 temperatura 32, e então o ar é fornecido, a temperatura relativamente baixa, para o gás parcialmente inflamado escoado para dentro da zona de combustão de segunda etapa. Como tal, o combustível que permanece não inflamado pode ser inflamado ainda mais sob a atmosfera oxidante de baixa temperatura. Assim, a combustão de combustível pode ser substancialmente completada, reduzindo assim a quantidade de descarga de NOx em cada zona.
[0007] De fato, tal configuração da caldeira de NOx é agora aplicada a uma máquina atual e serve para inflamar ou queimar efetivamente óleo combustível marítimo Bunker-C, asfalto ou similar. Neste caso, quando o combustível de baixa qualidade, tal como coque de petróleo, lodo de esgoto carbonizado ou similar, é usado como o combustível de caldeira, o efeito da redução da quantidade de descarga de NOx pode ser suficientemente obtido. Todavia, uma vez que um tal combustível de baixa qualidade contém uma quantidade consideravelmente grande de materiais formando cinza, produzidos por vanádio e metal similar, a assim grande quantidade de cinza é provável que seja acumulada sobre uma porção de base de forno, apresentando um novo problema.
[0008] Por exemplo, quando a caldeira de baixo NOx, como exposta no Documento de Patente 1, é operada continuamente por aproximadamente vários até seis meses, uma quantidade consideravelmente grande de cinza gerada pela combustão do combustível de baixa qualidade é acumulada no forno. Por conseguinte, é muito difícil remover, seguramente e efetivamente, a cinza a partir da porção de base do forno, porque tal cinza acumulada sobre a mesma é ainda fundida a uma temperatura consideravelmente alta. Além disso, a zona de combustão redutora de alta temperatura circundando a porção de base de forno é cheia com o gás de combustão que é ainda parcialmente inflamado na alta temperatura e contém gases e/ou componentes venenosos, como monóxido de
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5/22 carbono, sulfeto de hidrogênio e similares.
[0009] Para remover efetivamente tal cinza, a provisão de um orifício de descarga de cinza apropriada para a porção de base de forno pode ser considerada. Todavia, como descrito acima, a atmosfera na zona de combustão redutora de alta temperatura em torno da porção de base de forno é cheia com gases venenosos aquecidos a alta temperatura. Por conseguinte, em vista de um risco de vazamento de gás inadvertido e/ou acidental, é bastante problemático prover o orifício de descarga de cinza em uma tal porção de base de forno. Ainda, se o orifício de descarga de cinza é provido na porção de base de forno, o ar externo pode tender a entrar na porção de base de forno através do orifício de descarga de cinza. Isto pode causar impacto negativo sobre a atmosfera de combustão redutora de alta temperatura, deteriorando seriamente assim a capacidade de realizar adequadamente a combustão de baixo NOx e/ou combustão de baixa-fuligem-e-pó.
[0010] Embora a cinza seja fundida durante a combustão de combustível, por causa da atmosfera de temperatura consideravelmente alta em torno da porção de base de forno, esta cinza é solidificada depois do forno ser resfriado. Por conseguinte, para descarregar tal cinza a partir da porção de base de forno depois do forno ser resfriado, é necessário triturar a cinza pelo uso de uma broca de rocha o similar. Todavia, esta operação requer a paralisação e colocação em funcionamento freqüentes do forno bem como um custo indevidamente alto para a manutenção.
[0011] Documento de Patente 1: JP2667607B
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0012] Portanto, é um objetivo da presente invenção prover uma nova caldeira de baixo NOx, que pode reduzir significantemente a quantidade de descarga de NOx, enquanto permite que a cinza seja descarregada com êxito sem qualquer
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6/22 paralisação da caldeira. Neste caso, a caldeira de baixo NOx desta invenção pode ser operada continuamente, sem qualquer paralisação, até mesmo quando do uso do combustível de baixa qualidade contendo uma quantidade consideravelmente alta de materiais contendo nitrogênio e materiais que formam de cinza.
[0013] Para atingir o objetivo acima, a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta invenção é provida para obter energia térmica pela combustão de combustível líquido, gasoso ou carvão em pó, contendo os materiais contendo nitrogênio e materiais que formam cinza, e compreende uma câmara de combustão integrada do tipo vertical. A câmara de combustão integrada do tipo vertical inclui: uma zona de combustão redutora de alta temperatura, provida em uma porção superior da câmara de combustão e circundada por um material refratário e tendo um queimador; uma zona de combustão de segunda etapa, provida abaixo da zona de combustão redutora de alta temperatura e tendo um bocal de ar de combustão de segunda etapa; um orifício de saída de gás de combustão provida abaixo da zona de combustão de segunda etapa; e um mecanismo de descarga de cinza provido na porção de base do forno da câmara de combustão. Com esta configuração, o queimador inflama o combustível de carvão carregado na zona de combustão redutora de alta temperatura, sob uma atmosfera redutora de alta temperatura, de forma a produzir um gás de combustão, e então o bocal de ar de combustão de segunda etapa fornece um ar de combustão de segunda etapa tendo uma temperatura inferior a uma temperatura do gás de combustão para o gás de combustão escoado para baixo em direção à zona de combustão de segunda etapa posicionada abaixo da zona de combustão redutora de alta temperatura, de forma a completar a combustão do combustível de carvão sob uma atmosfera oxidante de baixa temperatura. Neste caso, o gás de combustão é escoado para fora a partir do orifício de saída de gás de combustão, posicionada abaixo da zona de combustão
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7/22 de segunda etapa, e uma cinza que é acumulada sobre a porção de base de forno da câmara de combustão é descarregada em estado sólido, durante a operação do forno, pelo uso do mecanismo de descarga de cinza.
[0014] É preferido que uma porção estreitada para reduzir a seção transversal horizontal da câmara de combustão por 20% - 50% seja provida entre a zona de combustão redutora de alta temperatura e a zona de combustão de segunda etapa. Preferivelmente, a porção de base de forno da câmara de combustão é cônica, com um ângulo cônico inferior ou igual a 45°, mais preferivelmente 35°, ou similar, em relação a uma linha vertical em relação ao forno de base da câmara de combustão. Com esta configuração, o mecanismo de descarga de cinza provido em uma extremidade inferior da porção cônica (ou seja, a porção de base de forno) pode descarregar eficientemente a cinza a partir do forno, com uma estrutura simples.
[0015] Ainda, os queimadores podem ser dispostos ao longo de duas faces laterais opostas da zona de combustão redutora de alta temperatura, respectivamente, horizontalmente em paralelo entre si, com os eixos de chama dos queimadores respectivamente orientados para não se cruzarem entre si.
[0016] Como descrito acima, a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo da presente invenção pode primeiramente inflamar o combustível sob a atmosfera redutora de alta temperatura na zona de combustão redutora de alta temperatura, e então ainda mais e completamente inflamar o gás de combustão contendo o combustível que permanece não inflamado, sob a atmosfera de combustão oxidante de baixa temperatura na zona de combustão de segunda etapa, suprimindo assim efetivamente a geração de NOx. Em particular, esta caldeira é configurada para permitir que o gás de combustão seja escoado para baixo, a partir da porção superior para a porção de base da câmara de combustão. Ainda, flutuação apropriada pode ser exercida, sobre o gás de combustão, para cima na
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8/22 direção reversa ao fluxo de gás. Portanto, a densidade do gás de combustão pode ser aumentada com êxito. Como tal, em comparação com a caldeira de baixo NOx convencional, a eficiência de combustão pode ser substancialmente melhorada, e, conseqüentemente, a temperatura na zona de combustão redutora, posicionada na porção superior da câmara de combustão, pode ser ainda mais elevada. Assim, a distribuição de temperatura na câmara de combustão pode ser ainda mais uniformizada. Em conclusão, é possível melhorar significantemente o efeito de combustão de baixo NOx e/ou combustão de baixa-fuligem-e-pó.
[0017] De acordo com esta invenção, com a configuração incluindo a zona de combustão redutora de alta temperatura, provida na porção superior da câmara de combustão, e permitindo que o gás de combustão tendo a temperatura relativamente baixa seja escoado para fora a partir da porção inferior da câmara de combustão, a cinza de combustão pode ser seguramente acumulada sobre a porção de base de forno, bem como o mecanismo de descarga de cinza pode ser seguramente provido para a porção de base de forno. Embora a cinza de combustão seja fundida e liquefeita na zona de combustão redutora de alta temperatura, ela é solidificada, uma vez escoada para baixo juntamente com o gás de combustão para dentro da zona de combustão de segunda etapa e então resfriada para abaixo de seu ponto de fusão. Assim, tal cinza cai sobre a porção de base de forno, e é acumulada sobre a mesma em um estado sólido.
[0018] Ainda, vez que o mecanismo de descarga de cinza é circundado pela atmosfera oxidante de baixa temperatura, a combustão pode ser adequadamente mantida, sem ser submetida a qualquer influência, mesmo quando o forno de base é aberto para o ar pelo mecanismo de cinza. Por conseguinte, a cinza pode ser descarregada, seguramente, durante a operação do forno. Isto pode permitir uma tal operação contínua por longo período do forno, que não foi até agora obtida pela
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9/22 caldeira de baixo NOx convencional, e pode também reduzir substancialmente o custo para a manutenção. Além disto, com a configuração desta invenção, que pode permitir o uso de combustível de baixa qualidade contendo uma quantidade considerável de materiais que formam cinza, o custo de combustível pode também ser substancialmente reduzido.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0019] A figura 1 é um diagrama funcional mostrando esquematicamente a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo em uma modalidade da presente invenção.
[0020] A figura 2 é uma vista em perspectiva mostrando esquematicamente a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo na modalidade da presente invenção mostrada na figura 1.
[0021] A figura 3 é um gráfico mostrando a quantidade de geração de NOx em relação à razão de ar e/ou temperatura de combustão na região de combustão.
[0022] A figura 4 é um diagrama para ilustrar a distribuição de pressão em uma caldeira de combustão de duas etapas, convencional.
[0023] A figura 5 é um diagrama para ilustrar a distribuição de pressão na caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade.
[0024] A figura 6 é um diagrama para ilustrar a distribuição de temperatura em um corte transversal da zona de combustão redutora de alta temperatura relacionada com a caldeira de combustão de duas etapas convencional.
[0025] A figura 7 é um diagrama para ilustrar a distribuição de temperatura no corte transversal da zona de combustão redutora de alta temperatura, relacionada à caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade.
[0026] A figura 8 é um diagrama para ilustrar a distribuição de temperatura em uma seção transversal longitudinal da caldeira de combustão de duas etapas.
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10/22 [0027] A figura 9 é um diagrama para ilustrar a distribuição de temperatura na seção transversal longitudinal da na seção transversal transversa desta modalidade. [0028] A figura 10 é uma seção transversal esquemática de uma caldeira convencional.
DESCRIÇÃO DE MODALIDADES [0029] Daqui em diante, uma modalidade da presente invenção será descrita com referência aos desenhos.
[0030] Como mostrado nas figuras 1 e 2, a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade inclui a zona de combustão redutora de alta temperatura 2, provida na porção superior da câmara de combustão to tipo vertical 1, e a zona de combustão de segunda etapa 3, provida em um estágio médio da câmara 1. A zona de combustão redutora de alta temperatura 2 e a zona de combustão de segunda etapa 3 são separadas uma da outra pela porção estreitada
4. Um número apropriado de queimadores 5 é provido nas paredes laterais da zona de combustão redutora de alta temperatura 2. Cada parede lateral e uma parede superior da zona de combustão redutora de alta temperatura 2 são cobertas com um material refratário apropriado 6, que é durável contra a temperatura de forno de aproximadamente 1650 °C ou mais alta.
[0031] A porção estreitada 4 tem uma projeção do tipo de flange que se projeta para dentro e se estende ao longo de toda a circunferência interna da câmara de combustão 1. Esta porção estreitada 4 é provida para reduzir a seção transversal da passagem de gás na câmara de combustão 1 por aproximadamente 20% a 50%. A superfície da porção estreitada 4, voltada para a zona de combustão redutora de alta temperatura 2, é recoberta com o material refratário, da mesma maneira que a zona de combustão redutora de alta temperatura 2. Os queimadores 5 são providos nas duas faces laterais opostas da zona de combustão redutora de alta temperatura 2 da
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11/22 câmara de combustão 1, enquanto são respectivamente dispostos horizontalmente em paralelo entre si. Esses queimadores 5 são dispostos axialmente paralelos entre si, com um espaço apropriado, a fim de impedir que os eixos da chama de queimador sejam diretamente opostos uns aos outros.
[0032] Ainda, abaixo da porção estreitada 4, um número apropriado de bocais de ar de combustão de segunda etapa 7 é disposto e a zona de combustão de segunda etapa 3 é formada. Uma porção inferior da zona de combustão de segunda etapa 3, por exemplo, uma parede da câmara de combustão, é cônica, com o ângulo de cone de aproximadamente 35° em relação à linha vertical. O orifício de descarga de cinza 8 é provido em uma extremidade inferior da porção de base de forno cônica. O valor ótimo do ângulo de cone varia com o ângulo de contato crítico entre o material (ou cinza) acumulada sobre a zona de combustão de segunda etapa 3 e a parede da zona de combustão de segunda etapa 3. Todavia, se for provável que um tal material acumulado seja colapsado, até mesmo um ângulo relativamente grande, tal como 45° ou semelhante, pode ser usado como o ângulo de cone. Cada parede lateral, representada como uma parede limite nos desenhos, da zona de combustão de segunda etapa 3, tem a estrutura de parede d'água incluindo tubos de parede d'água providos na mesma para resfriar a zona de combustão de segunda etapa 3 e similar. Mais especificamente, os tubos de parede d'água são conectados com um tubo descendente não aquecido 10 em uma porção de base da câmara de combustão 1, de forma que água de caldeira de pressão adequadamente alta pode ser seguramente fornecida para a câmara de combustão 1, via o tubo descendente não aquecido 10, a partir de um tambor de vapor 9 provido em uma posição mais alta que a câmara de combustão 1.
[0033] O orifício de saída de gás 11 é provido em uma parede lateral inferior da zona de combustão de segunda etapa 3, e é comunicada com um passe traseiro 12.
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12/22
O passe traseiro 12 é configurado para alimentar através da mesma o gás de combustão para uma etapa de pós-tratamento, depois de passar o gás de combustão através de um tubo de superaquecedor 13 e um economizador 14, respectivamente providos na rota. Ainda, outro orifício de descarga de cinza 15 é provido em uma porção de base de um corpo combinado do tubo de superaquecedor 13 e economizador 14.
[0034] A caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade é provida como a caldeira térmica para a combustão de um combustível líquido, gasoso ou de carvão em pó, a fim de obter a energia térmica a partir do gás inflamado resultante. Mais especificamente, a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade é configurada de modo que o combustível pode ser fornecido para uma porção superior da câmara de combustão 1 a fim de realizar primeiramente a combustão do combustível sob a atmosfera redutora, e então a combustão pode ser avançada para baixo a partir da porção superior da câmara 1 a fim de inflamar ainda mais e de forma completa a combustão sob a atmosfera oxidante, e finalmente o gás de combustão resultante pode ser extraído a partir da porção inferior da câmara 1.
[0035] Neste procedimento, o combustível e o ar são primeiramente introduzidos em cada queimador 5 a fim de iniciar a combustão na zona de combustão redutora de alta temperatura 2. Na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, a introdução do ar é controlada para manter a relação de ar na atmosfera redutora inferior a, ou igual a, 1, por exemplo, aproximadamente 0,6 a 0,8. Sob esta atmosfera redutora, o combustível é inflamado a uma alta temperatura de aproximadamente 1500°C. É notado que esta temperatura de combustão é selecionada, dependendo do combustível usado. Assim, na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, a convecção do gás de combustão é gerada,
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13/22 enquanto ocorre a criação de um vórtice na direção horizontal, devido a cada chama gerada a partir dos queimadores 5, respectivamente dispostos com os seus eixos horizontalmente deslocados um em relação ao outro. Ainda, visto que a densidade do gás de combustão deve ser consideravelmente abaixada sob a atmosfera a uma temperatura tão alta na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, o gás de combustão pode permanecer, por um tempo relativamente longo, em uma tal zona de combustão redutora de alta temperatura 2. Como tal, o gás de combustão pode ser mantido a uma temperatura adequadamente alta pelo material refratário 6, resultando na combustão bem estabilizada e uniforme do combustível na zona de combustão redutora 2.
[0036] Então, tal gás de combustão, o qual foi bem aquecido através da combustão na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, é purgado para baixo a partir da zona de combustão redutora de alta temperatura 2 para dentro da zona de combustão de segunda etapa 3 através da porção estreitada 4, devido ao aumento de novo gás de combustão produzido pelo combustível ulteriormente carregado na mesma. Nesta zona de combustão de segunda etapa 3, o ar de combustão de segunda etapa de uma temperatura relativamente baixa é adequadamente fornecido a partir dos bocais de ar de combustão de segunda etapa 7, a fim de inflamar completamente a combustão que permanece não inflamado no gás de combustão.
[0037] Depois da conclusão da combustão, o gás de combustão é primeiramente escoado ainda mais para baixo na câmara de combustão, e então escoado para dentro do passe traseiro 12 via o orifício de saída de gás 11. Neste passe traseiro 12, o gás de combustão é submetido à troca de calor com a água fornecida para a caldeira, enquanto está sendo escoado através do tubo de superaquecedor 13 e economizador 14, e então é escoado para a etapa de pós-tratamento.
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14/22 [0038] No caso em que a cinza de combustão gerada a partir de materiais contendo metal e/ou carvão, cada um permanecendo em um estado não inflamado ou não queimado no combustível, tal como o coque de petróleo, o ponto de fusão de sua cinza é aproximadamente 1200 a 1600°C na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, tal cinza é liquefeita ou fundida, e então afixada a, e escoada para baixo, ao longo da parede de forno, ou cai, como gotículas, no gás de combustão, ou escoada de outra maneira para baixo juntamente com o gás de combustão. Ainda, em alguns casos, a cinza de combustão fundida, uma vez escoada para baixo ao longo da parede da zona de combustão redutora de alta temperatura 2, cai, por sua vez, como as gotículas, a partir de uma borda da porção estreitada 4, e então escoada ainda mais para baixo ao longo da parede da zona de combustão de segunda etapa 3. Neste caso, vez que a temperatura da porção inferior da zona de combustão de segunda etapa 3 é ajustada em aproximadamente 1100°C, a cinza de combustão fundida é rapidamente resfriada para uma temperatura inferior à do ponto de fusão da mesma, durante o escoamento para baixo ao longo da parede de uma tal zona de combustão de segunda etapa 3, sendo assim logo solidificada.
[0039] Entretanto, a cinza de combustão fundida escoada para baixo juntamente com o gás de combustão na zona de combustão de segunda etapa 3 é modificada para a forma de partículas finas e então cai na porção de base de forno da câmara de combustão 1. Em adição, a cinza de combustão fundida afixada à parede da câmara de combustão 1 e então solidificada devido à temperatura relativamente baixa da zona de combustão de segunda etapa 3 é logo descascada a partir da parede, então desliza para baixo ao longo da superfície de parede, e finalmente cai na porção de base da câmara de combustão 1. Em qualquer caso, porque a porção inferior da câmara de combustão 1 é gradativamente afunilada, a cinza de
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15/22 combustão solidificada caindo em direção à porção de base de forno pode ser coletada na porção de base da câmara de combustão 1. Isto pode facilitar significantemente a descarga de tal cinza de combustão acumulada sobre a, e em torno da, porção de base da câmara de combustão 1, a partir do orifício de descarga de cinza 8 da câmara 1. Este orifício de descarga de cinza 8 pode ser projetada para ficar sempre aberta, ou, de outra maneira, pode ser provida com uma placa de base do tipo de tampa, adaptada para permitir que o orifício de descarga 8 seja opcionalmente aberta. Com a provisão de uma tal placa de base do tipo de tampa, a cinza pode ser descarregada e coletada, quando necessário, pela abertura da placa de base. Por permitir que a cinza de combustão seja descarregada, em um estado adequadamente solidificado, a partir do orifício de descarga de cinza 8 posicionada na porção de base de forno, a temperatura do gás de combustão em torno do orifício de saída de gás 11 é preferivelmente abaixado até uma certa temperatura, apropriada para as condições de combustão do combustível usado bem como apropriada para o estado da cinza acumulada.
[0040] Alternativamente, para descarregar continuamente a cinza, um transportador de correia apropriado com selagem a água pode ser usado.
[0041] Em seguida, o gás é escoado através da parede d'água de passe traseiro 12 incluindo o tubo de superaquecedor 13 e o economizador 14, e então a velocidade de fluxo do gás de combustão contendo a cinza restante é abaixada. Como um resultado, tal cinza restante é separada a partir do gás de combustão e então cai em direção ao orifício de descarga de cinza adicional 12. Como tal, a cinza pode também ser descarregada e coletada a partir do orifício de descarga 15.
[0042] Mais especificamente, na caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade, o combustível de carvão é inflamado, em uma maneira de combustão em duas etapas, em que a combustão de carvão é inicialmente
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16/22 inflamada sob atmosfera redutora de alta temperatura na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, e então inflamado ainda mais sob a atmosfera oxidante de baixa temperatura na zona de combustão de segunda etapa 3.
[0043] Como mostrado na figura zona de combustão de segunda etapa 3, a quantidade de geração de NOx durante a combustão do combustão de carvão depende altamente da temperatura de combustão e da relação de ar. Mais especificamente, sob a condição da relação de ar inferior a 1, ou seja, sob a atmosfera redutora, a quantidade de geração de NOx é diminuída à medida que a temperatura é elevada. Entretanto, sob a condição da relação de ar superior ou igual a 1, ou seja, sob a atmosfera oxidante, a quantidade de geração de NOx é diminuída à medida que a temperatura é abaixada.
[0044] Assim, de acordo com a caldeira desta modalidade, pela utilização de tais propriedades, ou seja, pela combustão do combustão de carvão da maneira de combustão em duas etapas, compreendendo a primeira etapa de combustão redutora de alta temperatura e a segunda etapa de combustão oxidante de baixa temperatura, a quantidade de geração de NOx pode ser efetivamente reduzida.
[0045] Geralmente, por causa de uma temperatura consideravelmente alta em um forno de combustão usual, nitrogênio contido no combustível é primeiramente transformado em produtos intermediário contendo nitrogênio rapidamente, tal como cianeto de nitrogênio, amônia, óxido de nitrogênio e similares, e então uma parte de tais produtos intermediários é ulteriormente oxidada para formar óxido de nitrogênio. [0046] Entretanto, na câmara de combustão desta modalidade, a produção de tal NOx pode ser efetivamente controlada ou suprimida, devido à redução dos produtos intermediários contendo nitrogênio para formar nitrogênio, sob a atmosfera redutora de alta temperatura na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, bem como a geração de NOx térmica pode ser controlada com êxito, devido à combustão
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17/22 completa do combustível não inflamado, com a carga adicional do ar de combustão de segunda etapa, a uma temperatura de gás substancialmente abaixada, na zona de combustão de segunda etapa 3.
[0047] Nas figuras 4 a 9, qualquer uma da distribuição de pressão ou distribuição de temperatura em cada caldeira de combustão de duas etapas é mostrada, por simulação, com respeito à caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo relacionado com esta modalidade ou a convencional caldeira de baixo NOx. As figuras 4 e 5 ilustram, respectivamente, a distribuição de pressão, em cada seção transversal longitudinal da caldeira convencional e da caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo relacionado com esta modalidade. As figuras 6 e 7 ilustram, respectivamente, a distribuição de temperatura, em cada corte transversal das respectivas zonas de combustão redutoras de alta temperatura. As figuras 8 e 9 ilustram, respectivamente, a distribuição de temperatura, em cada seção transversal longitudinal das respectivas caldeiras.
[0048] Como aparentemente visto a partir da comparação das distribuições de pressão nas respectivas caldeiras mostradas nas figuras 4 e 5, a pressão na zona de combustão redutora de alta temperatura 2 da caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade mostrada na figura 5 é relativamente alta. Isto é porque o posicionamento da zona de combustão redutora de alta temperatura 2 acima da zona de combustão de segunda etapa 3 pode suprimir adequadamente o fluxo para baixo do gás de combustão desde a zona de combustão redutora de alta temperatura 2 para a zona de combustão de segunda etapa 3. Ainda, a pressão de gás em toda a câmara de combustão 1 é mais alta que aquela na caldeira convencional. Em particular, a densidade de gás na câmara de combustão 1 em torno da zona de combustão redutora de alta temperatura 2 é conspicuamente alta. Em adição, por causa da flutuação que pode ser aumentada e exercida na direção reversa à direção de fluxo para baixo do gás de
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18/22 combustão, fluxo indevido para baixo do gás de combustão na vizinhança da, ao lado da, parede de forno, pode ser positivamente controlado. Como tal, combustão bem uniformizada pode ser realizada, em cada uma da zona de combustão de alta temperatura 2 e da zona de combustão de segunda etapa 3.
[0049] Ainda, a partir da comparação das distribuições de temperatura nos cortes transversal das respectivas zonas de combustões de alta temperatura, mostradas nas figuras 6 e 7, o gás de combustão que tem uma temperatura mais alta é espalhado mais amplamente na zona de combustão redutora de alta temperatura 2 da caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade mostrada na figura 7. A partir deste fenômeno, pode ser visto que a combustão na zona de combustão redutora de alta temperatura 2 desta modalidade pode ser realizada, mais uniformemente e estavelmente, em comparação com a combustão realizada na caldeira convencional.
[0050] Ainda, a partir da comparação das distribuições de temperatura nas seções transversais longitudinais das respectivas câmaras de distribuição mostradas nas figuras 8 e 9, pode ser visto que uma região de temperatura relativamente alta pode ser criada mais amplamente na zona de combustão redutora de alta temperatura 2, e que a temperatura em torno do orifício de saída de gás 11 na vizinhança da porção de base de forno pode ser ajustada substancialmente mais baixa, na caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade mostrada na figura 9. Pode também ser visto que a temperatura pode ser ainda mais uniformizada, nesta modalidade, sobre toda a região no forno, em comparação com a câmara de combustão convencional. Assim, pode ser propriamente esperado que a quantidade de geração de NOx possa ser substancialmente reduzida, pela combustão de duas etapas relacionada com esta invenção, ou seja, a primeira etapa de combustão de alta temperatura realizada sob a atmosfera redutora na zona de combustão redutora de alta temperatura 2 e a segunda etapa de combustão de baixa temperatura realizada sob a atmosfera oxidante na zona de
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19/22 combustão de segunda etapa 3.
[0051] Ainda, a partir do vetor de velocidade do gás de combustão no forno, como é similar ao caso da caldeira de baixo NOx convencional, uma tendência de refluxo do gás de combustão a partir do nível da porção estreitada na câmara de combustão redutora em direção aos respectivos queimadores pode ser observada na caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade. Todavia, nesta modalidade, o refluxo do gás de combustão desde um ponto ainda mais a jusante em relação à porção estreitada não foi observado.
[0052] Como ilustrado nos desenhos, a temperatura na zona de combustão redutora de alta temperatura 2 na caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade é ajustada mais alta que a temperatura ajustada na caldeira convencional. Por conseguinte, para melhorar a capacidade de resfriamento, o tambor de vapor 9 é provido na posição mais alta que a extremidade superior da câmara de combustão 1. Desta maneira, o tubo descendente não aquecido 10 pode ser provido para se estender de forma mais longa que a altura da câmara de combustão 1, aumentando assim positivamente a pressão da água de caldeira escoada através de um tal tubo descendente não aquecido alongado 10, melhorando assim um efeito de circulação da água de caldeira.
[0053] Entretanto, na caldeira de baixo NOx convencional, a zona de combustão redutora de alta temperatura foi posicionada na porção de base de forno, sobre a qual, e em torno da qual, a cinza é acumulada. Portanto, se o orifício de descarga de cinza é provida na porção de base de forno, o ar que entra na porção de base de forno através de uma tal orifício de descarga de cinza iria, ao contrário, perturbar a atmosfera redutora da zona de combustão redutora de alta temperatura. Ainda, vez que o gás de combustão cheio na zona de combustão redutora de alta temperatura está ainda em um estado incompletamente inflamado e contendo, assim, monóxido de carbono, sulfeto o similares,
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20/22 que são perigosos, pode existir um risco que um operador ou usuário desta caldeira, inadvertidamente ou acidentalmente, poderia sofrer um sério dano ou ferimento. Além disso, foi muito difícil, a partir do ponto de vista tecnológico, descarregar, estavelmente e seguramente, a cinza fundida acumulada na porção de base de forno da zona de combustão redutora de alta temperatura. Opor conseguinte, foi até agora considerado ser impossível ou, reter, irracionalmente, prover o orifício de descarga de cinza na porção de base de forno. Assim, na técnica convencional, existiu uma necessidade de paralisar a caldeira, uma vez em vários meses ou em cada metade de ano, a fim de coletar a cinza acumulada. Especialmente, no caso de uso do combustível de baixa qualidade contendo uma maior quantidade de materiais formadores de cinza, o forno deve ser limpo, muito frequentemente, conduzindo a uma má gestão indevida. Por conseguinte, tal combustível de baixa qualidade não foi até agora usado neste campo.
[0054] Todavia, a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade tem uma tal estrutura que a caldeira de baixo NOx convencional é diretamente invertida. Ou seja, a zona de combustão redutora de alta temperatura 2 é posicionada na porção superior da caldeira, enquanto a zona de combustão de segunda etapa 3 é localizada abaixo da zona de combustão redutora de alta temperatura 2. Mais especificamente, esta configuração pode obter a provisão do orifício de descarga de cinza 8 na porção de base de forno, sobre a qual a cinza cai e é acumulada.
[0055] Mais especificamente, na caldeira desta modalidade, o gás de combustão escoado em torno do orifício de descarga de cinza 8 foi completamente inflado através da zona de combustão de segunda etapa 3. Portanto, a quantidade de materiais perigosos, tais como monóxido de carbono, sulfeto e similares, que de outra maneira seriam consideravelmente produzidos pela combustão incompleta, pode ser efetivamente reduzida. Como tal, a toxidez do gás de combustão devido a tais material perigosos pode ser significantemente abaixada.
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21/22 [0056] Ainda, vez que o orifício de descarga de cinza 8 é posicionada substancialmente fora da zona de combustão, a má influência sobre a combustão que de outra maneira pode ser seriamente causada pelo resfriamento acidental devido ao ar exterior entrando na zona de combustão via o orifício bem como a deterioração indevida do efeito de desnitração devido à relação de ar bastante desbalanceada podem ser reduzidas com êxito.
[0057] Além disto, com a provisão do orifício de descarga de cinza 8 na caldeira desta modalidade, a cinza pode ser descarregada e coletada, a partir do exterior, sem qualquer paralisação do forno. Mais especificamente, o forno pode ser continuamente operado. Além disso, a configuração da caldeira de combustão pode permitir o uso do combustível de baixa qualidade contendo uma quantidade consideravelmente grande de materiais que formam cinzas. Por conseguinte, pelo uso da caldeira desta modalidade, o custo requerido para a operação pode ser significantemente poupado. Adicionalmente, uma vez que a maioria da cinza pode ser coletada pelo uso do orifício de descarga de cinza 8, a carga que pode ser de outra maneira imposta sobre um coletor de pó ou similar provido na ulterior etapa de pós-tratamento pode ser substancialmente reduzida.
[0058] Assim, a caldeira de combustão da modalidade acima pode ser operada, até mesmo com o uso do combustível de baixa qualidade, tal como o óleo combustível marítimo Bunker-C, asfalto, coque de petróleo, lama de esgoto carbonizada ou similar, que contém uma grande quantidade de materiais contendo nitrogênio e materiais que formam cinzas e, assim, que foram até agora muito difíceis de serem usados. Portanto, o custo requerido para o combustível pode ser grandemente poupado, obtendo assim a gesta altamente econômica. Ainda, a caldeira de combustão desta modalidade pode também utilizar, positivamente, o combustível fóssil de baixa qualidade que não foi até agora usualmente usado e/ou lama de esgoto carbonizada, que é combustível não fóssil. Por conseguinte, a caldeira de baixo NOx do tipo de cabeça para baixo desta modalidade
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22/22 é altamente eficaz para retardar a tendência corrente da secagem do combustível fóssil. [0059] Como mencionado acima, a presente invenção foi mostrada e descrita com relação a uma modalidade preferida da mesma. Todavia, o escopo técnico desta invenção não é limitado à descrição provida para a modalidade acima. Mais precisamente, várias modificações e alterações podem ser feitas a esta modalidade. Deve ser entendido que tais modificações e alterações são destinadas a serem incluídas no escopo desta invenção, e deve ser entendido que o escopo desta invenção é definido somente pelas reivindicações anexas.
Aplicação Industrial [0060] Esta invenção pode ser geralmente aplicada à caldeira configurada para obter a energia térmica pela combustão do combustível de carvão.

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida, caracterizada pelo fato de que compreende:
    uma câmara de combustão vertical (1);
    a câmara de combustão vertical (1) incluindo:
    uma zona de combustão redutora de alta temperatura (2), provida em uma porção superior da câmara de combustão (1) e circundada por um material refratário (6) e tendo um queimador (5);
    uma zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3), provida abaixo da zona de combustão redutora de alta temperatura (2) e circundada por uma parede de água e tendo um bocal de ar de combustão de segunda etapa (7);
    um orifício de saída de gás de combustão (11) provido abaixo da zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3); e um mecanismo de descarga de cinza provido em uma porção de base da câmara de combustão (1) e conectado com um tambor de vapor (9) e um tubo descendente não aquecido (10) para resfriar a zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3), em que o queimador (5) inflama um combustível de baixa qualidade sob uma atmosfera redutora de alta temperatura na zona de combustão redutora de alta temperatura (2), de forma a produzir um gás de combustão, e em que o bocal de ar de combustão de segunda etapa (7) fornece um ar de combustão de segunda etapa tendo uma temperatura inferior a uma temperatura do gás de combustão, de forma a inflamar adicionalmente um gás inflamado parcialmente escoado para baixo a partir da zona de combustão redutora de alta temperatura (2), sob uma atmosfera oxidante de baixa temperatura, em que o gás de combustão é escoado para fora a partir do orifício de saída
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  2. 2/4 de gás de combustão (11), e uma cinza que é acumulada sobre uma porção de base de forno da câmara de combustão (1) é descarregada, durante a operação do forno, pelo uso do mecanismo de descarga de cinza, em que uma porção estreitada (4) para reduzir a seção transversal horizontal da câmara de combustão (1) por 20% - 50% é provida entre a zona de combustão redutora de alta temperatura (2) e a zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3).
    2. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida, caracterizada pelo fato de que compreende:
    uma câmara de combustão vertical (1);
    a câmara de combustão vertical (1) incluindo:
    uma zona de combustão redutora de alta temperatura (2), provida em uma porção superior da câmara de combustão (1) e circundada por um material refratário (6) e tendo um queimador (5);
    uma zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3), provida abaixo da zona de combustão redutora de alta temperatura (2) e circundada por uma parede de água e tendo um bocal de ar de combustão de segunda etapa (7);
    um orifício de saída de gás de combustão (11) provido abaixo da zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3) e comunicada com um passe traseiro (12); e um mecanismo de descarga de cinza provido em uma porção de base da câmara de combustão (1) e conectado com um tambor de vapor (9) e um tubo descendente não aquecido (10) para resfriar a zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3), em que o queimador (5) inflama um combustível de baixa qualidade sob uma atmosfera redutora de alta temperatura na zona de combustão redutora de alta
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  3. 3/4 temperatura (2), de forma a produzir um gás de combustão, e em que o bocal de ar de combustão de segunda etapa (7) fornece um ar de combustão de segunda etapa tendo uma temperatura inferior a uma temperatura do gás de combustão, de forma a inflamar adicionalmente um gás inflamado parcialmente escoado para baixo a partir da zona de combustão redutora de alta temperatura (2), sob uma atmosfera oxidante de baixa temperatura, em que o gás de combustão é escoado para baixo a partir da zona de combustão oxidante de baixa temperatura (3) é escoado para fora do orifício de saída de gás de combustão (11), e o gás de combustão escoado para fora do orifício de saída de gás de combustão (11) é escoado para cima no passo traseiro (12) e passa então através de um tubo de superaquecedor (13), em que uma cinza que é acumulada na porção de base de forno da câmara de combustão (1) é descarregada, durante a operação do forno, pelo uso do mecanismo de descarga de cinza.
    3. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que uma porção estreitada (4) para reduzir a seção transversal horizontal da câmara de combustão (1) por 20% - 50% é provida entre a zona de combustão redutora de alta temperatura (2) e a zona de combustão oxidante de baixa temperatura. (3)
  4. 4. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a porção de base de forno da câmara de combustão (1) é afunilada, e o mecanismo de descarga de cinza é provido para uma extremidade inferior da porção de base de forno.
  5. 5. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o ângulo da porção de base de forno é inferior ou igual a 45° em relação a uma linha vertical.
    Petição 870190115678, de 11/11/2019, pág. 34/41
    ΑΙΑ
  6. 6. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o mecanismo de descarga de cinza inclui uma tampa provida na porção de base de forno, e a cinza acumulada sobre a superfície superior da tampa é descarregada pela abertura da tampa.
  7. 7. Caldeira vertical de baixo NOx do tipo invertida de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que os queimadores (5) são dispostos ao longo de duas faces laterais opostas da zona de combustão redutora de alta temperatura (2), respectivamente, horizontalmente em paralelo entre si, com os eixos de chama dos queimadores (5) respectivamente orientados de modo a não cruzarem entre si, e o gás de combustão cria um fluxo de vórtice.
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