(54) Título: RECUPERAÇÃO DE CALOR DE ESCAPE DE SECADOR (51) Int. Cl.: F23G 5/46 (30) Prioridade Unionista: 25/04/2017 US 15/496,413 (73) Titular(es): BIOLEAP, INC (72) Inventor(es): JAMES KNIGHT, JR; OLAN WAYNE MITCHELL (74) Procurador(es): VILAGE MARCAS E PATENTES LTDA (57) Resumo: RECUPERAÇÃO DE CALOR DE ESCAPE DE SECADOR. Trata-se de calor residual que é extraído do escape (20) de um secador de biomassa (14) em uma usina de álcool de cereais (10). Um circuito de caldeira (74) fornece vapor de alta pressão a um balanço da planta (64). Um circuito de energia recuperada (76) extrai calor do escape por meio de um economizador de condensação de escape de secador (24) e fornece uma mistura de vapor (60) para satisfazer uma demanda de pressão intermediária de vapor do balanço da planta, desse modo, desviando de uma porção do circuito de caldeira. Os fluidos de trabalho na caldeira e os circuitos de energia recuperada são intermisturados em um recipiente de alimentação de caldeira (72). O condensado de escape de secador (30) pode ser usado em um purificador de gás de escape (22) a montante do economizador de condensação de escape de secador para remover poluentes e saturar (26) o gás de escape para transferência de calor aprimorada. A transferência de calor pode ser aprimorada adicionalmente operando-se o economizador de condensação de escape de secador em uma pressão elevada.
1/9
RECUPERAÇÃO DE CALOR DE ESCAPE DE SECADOR CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção refere-se, de modo geral, a recuperar calor de gases residuais produzidos durante o processamento de materiais e, mais especificamente em uma modalidade, à recuperação de calor do escape de um secador usado para remover umidade de uma biomassa úmida produzida durante a produção de álcool.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] A utilização eficiente de energia é importante em qualquer processo industrial e é bem conhecida por recuperar calor de um gás de processo antes de possibilitar o escape do gás de volta para o ambiente. A produção de um álcool de milho ou outra biomassa produz um subproduto úmido de sólidos (bolo úmido) que pode ser seco parcialmente em um tambor giratório ou secador de tubo a vapor antes de ser processado como alimento ou fertilizante animal. O gás de escape de secador contém calor e umidade que podem ser capturados antes de serem liberados na atmosfera. [003] A Patente no U.S. 3.131.035 descreve a reciclagem de gás de escape de secador através de um incinerador, sendo que é possibilitado o escape de uma porção do gás incinerado para a atmosfera logo após passar através de um trocador de calor para preaquecer o gás de escape a granel de secador que percorre no incinerador. A patente também ensina a extração de calor do gás de escape por meio de um trocador de calor com o uso de um líquido extraído do material que é seco. Em seguida, o líquido aquecido é concentrado em um evaporador que produz tanto um líquido concentrado para reutilização na corrente de matéria-prima quanto uma exalação que é condensada e disposta de qualquer maneira adequada.
[004] A Publicação de Pedido de Patente no U.S. US 2011/0108409 A1 descreve um sistema de produção de etanol em que a corrente de escape de um secador a vapor é direcionada até o fundo de uma coluna de destilação a fim de aquecer a coluna de destilação e de purificar a corrente de escape.
[005] A patente no U.S. 8.429.832 descreve o uso de calor residual de um secador a vapor que é capturado e usado na produção de vapor para o secador.
[006] A Publicação de Pedido Internacional no WO 2013/144438 A1 descreve o uso de
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 5/14
2/9 gás de queima de um dispositivo de combustão que é usado para aquecer um líquido a ser concentrado em uma usina de evaporação de múltiplos efeitos.
São desejados aprimoramentos adicionais na eficiência de energia de tais processos industriais.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [007] A invenção é explicada na descrição a seguir tendo em vista a única Figura (FIG.1) que é uma ilustração esquemática de uma modalidade de usina de álcool de cereais da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [008] Os presentes inventores reconheceram que o benefício de capturar calor residual de gás de escape envolve não apenas a maneira em que o calor é transferido do gás de escape em outro fluido como também a maneira em que o fluido aquecido é usado subsequentemente para extrair a energia de calor recuperada. Os inventores também reconheceram que os sistemas de recuperação de energia de técnica anterior que utilizam fluidos que são produzidos de uma biomassa, ou que estão em contato com a mesma, têm flexibilidade limitada devido aos produtos químicos incluídos em tais fluidos. Ademais, uma reciclagem simples de um fluido para reutilizar a energia de calor é geralmente eficiente, porém, isso limita o uso da energia reciclada para o aquecimento do fluido que é reciclado.
[009] Em contrapartida, a presente invenção fornece tanto um mecanismo eficiente para capturar calor residual de um gás de escape de secador de biomassa quanto um mecanismo altamente flexível para reutilizar a energia capturada. Isso é realizado em uma modalidade utilizando-se um fluido de trabalho para a captura do calor residual, em que o fluido de trabalho é compatível com um fluido usado em um processo de balanço da planta. Em uma modalidade de usina de álcool de cereais da invenção, tal fluido de trabalho é água com qualidade de água de alimentação de caldeira que, após ser aquecida por gás de escape de secador, pode ser integrada a um ciclo de caldeira de um processo de destilação de etanol de usina. A água é um fluido ideal para transferência de calor devido à capacidade de calor e ao baixo custo da mesma. A química de água de alimentação de caldeira é controlada tipicamente com atenção a
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 6/14
3/9 fim de minimizar a corrosão e maximizar a transferência de calor no ciclo de caldeira. [010] Para uma usina particular, as exigências químicas de água de alimentação de caldeira são mantidas tipicamente em conformidade com uma especificação que é particular para essa usina, e o termo “qualidade de água de alimentação de caldeira”, conforme usado no presente documento, se refere à composição química exigida pela especificação para um ciclo de caldeira da usina particular.
[011] Os presentes inventores reconheceram também uma ineficiência inerente nos sistemas de caldeira/vapor de usinas de álcool de cereais existentes. A ineficiência surge devido ao fato de que as usinas utilizam vapor em várias condições de temperatura/pressão diferentes para vários propósitos diferentes, incluindo vapor em uma pressão relativamente alta para uso em peneiras moleculares, vapor e pressões intermediárias para uso em aquecedores de matéria-prima e evaporadores de silagem fina e vapor em pressão relativamente baixa para uso nas colunas de destilação.
[012] Devido ao fato de que todo o vapor de usina é fornecido por uma única caldeira que opera na pressão mais alta exigida, o vapor para usos em pressão inferior é fornecido tipicamente por meio de um dispositivo de redução de pressão de desperdício de energia.
[013] Em contrapartida, uma modalidade da presente invenção minimiza tais perdas de redução de pressão de vapor extraindo-se energia de calor da corrente de gás de escape de secador com o uso da água com qualidade de água de alimentação de caldeira e convertendo-se essa energia recuperada em vapor em uma pressão intermediária para uso na usina e no retorno subsequente ao circuito de caldeira de usina sem a necessidade de um dispositivo de redução de pressão. Conforme será descrito mais completamente abaixo, essa abordagem desvia, com eficácia, do circuito de caldeira para alguns dos usos de vapor de usina.
[014] Agora, a referência é feita à Fig. 1 que é um diagrama de blocos de uma modalidade da invenção, conforme aplicado em uma usina de álcool de cereais, tal como usina de etanol de milho 10. Um secador industrial 14 é alimentado, tal como um secador giratório ou secador de tubo a vapor conhecido, é alimentado com um bolo úmido 12, tal como milho ou outros sólidos que contêm biomassa e água. No caso de
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 7/14
4/9 secadores a fogo direto, um combustível 16, tal como gás natural, é usado como a fonte de energia para secar o bolo úmido 12 a fim de produzir sólidos relativamente mais secos 18. O escape de secador 20 envolvido do processo de secagem pode ser direcionado através de uma câmara de saturação ou purificador, tal como purificador de água 22 por dois motivos benéficos. Primeiro, grande parte da matéria de particulado é removida do escape de secador 20 o que reduz consideravelmente a contaminação e o acúmulo da matéria de particulado na área de transferência de calor do economizador de condensação de escape de secador a jusante 24. Segundo, colocando-se o escape de secador 20 em contato direto com uma fonte de água, a temperatura do escape de secador 20 cai, e uma quantidade proporcional de água é evaporada. Um purificador seco pode ser usado e removerá a matéria de particulado, o entanto, um purificador úmido, quando otimizado, resultará em um escape de secador totalmente saturado 26, desse modo, otimizando a transferência de calor no economizador a jusante 24. O purificador 22 pode ser qualquer modelo conhecido, tal como uma torre de aspersão, câmara de aspersão de ciclone, purificador venturi, purificador de orifício, purificador por impacto, purificador de leito empacotado etc. O escape de secador saturado 26 sai do purificador de água 22 e é direcionado ao economizador de condensação de escape de secador 24 onde o mesmo funciona como um agente de aquecimento para um líquido de trabalho que será descrito mais detalhadamente a seguir. O fundo do purificador de água 28, água mais matéria de particulado, é retirado do purificador de água 22 em uma taxa, conforme ditado por parâmetros de projeto de purificador de água típico. À medida que o escape de secador saturado 26 passa através do economizador de condensação de escape de secador 24, uma porção do vapor d'água dentro do escape de secador saturado 26 será condensada, produzindo condensado de escape de secador 30. O condensado de escape de secador 30 e/ou a água de purificador complementar 32 podem ser fornecidos como uma fonte de água para o purificador 22. O escape de secador desidratado de determinada maneira 34 sai do economizador de condensação de escape de secador 24 e prossegue tipicamente para um oxidante térmico 36 antes de passar para a atmosfera 38. Grande parte da separação física do escape de secador
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 8/14
5/9 desidratado 34 e do condensado de escape de secador 30 pode ocorrer dentro do economizador de condensação de escape de secador 24. A fim de auxiliar ainda mais na separação do condensado de escape de secador 30 do escape de secador desidratado de determinada maneira 34, o escape de secador desidratado de determinada maneira 34 pode ser roteado através de uma etapa de desengate (não mostrada), tal como através de um recipiente de desengate que tem um eliminador de neblina, antes de ser entregue ao oxidante térmico 36. Equipamentos/processos de remoção de calor adicionais conhecidos (não ilustrado) podem ser usados para capturar energia de calor adicional do escape do oxidante térmico 36 antes da liberação do gás para a atmosfera 38.
[015] O líquido de trabalho usado no economizador de condensação de escape de secador 24 em um líquido refrigerado rapidamente 40, que pode ser direcionado ao economizador de condensação de escape de secador 24 para comunicação térmica indireta com o escape saturado 26 em uma direção contrafluxo ou em uma direção contracorrente o mais próximo possível da contracorrente. O líquido refrigerado rapidamente 40 coleta energia de calor do escape de secador saturado 26 e é retirado do economizador de condensação de escape de secador 24 como líquido aquecido 42. [016] Em seguida, o líquido aquecido 42 é direcionado a um recipiente de vaporização rápida 44 e que o líquido aquecido 42 é submetido à refrigeração rápida, produzindo o líquido refrigerado rapidamente 40 e a exalação rápida 46. O líquido refrigerado rapidamente 40 que é circulado novamente entre o recipiente de vaporização rápida 44 e o economizador de condensação de escape de secador 24 forma um ciclo de fluido de trabalho 48. Uma porção do líquido de trabalho circulante, de preferência, o líquido refrigerado rapidamente 40, é retirada como a purgação 50 a fim de controlar o acúmulo de sólidos no sistema.
[017] A exalação rápida 46 é direcionada no lado de sucção 52 de um compressor térmico 54. O vapor de usina 56 é direcionado no lado motriz 58 do compressor térmico 54 a fim de reduzir a exalação rápida 46 no lado de sucção 52 do compressor térmico 54. A mistura de vapor resultante 60 sai do lado de descarga 62 do compressor térmico 54 em uma pressão intermediária acima daquela da exalação rápida 46, porém, abaixo
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 9/14
6/9 daquela do vapor de usina 56. A mistura de vapor 60 pode ser usada subsequentemente quando houver demanda no balanço da planta 64 para vapor na temperatura de saturação correspondente da mistura de vapor 60. O termo “compressor térmico”, conforme usado no presente documento, deve incluir de modo geral outros dispositivos que funcionem semelhantemente, tais como injetores, ejetores, bombas a jato, exaustores etc. que unem fluidos de pressão interior e superior para produzir um fluido de pressão intermediária, tal como utilizando-se o efeito venturi. [018] O vapor de usina 56 é fornecido por uma caldeira 66 que fornece também vapor de usina 56 para outras demandas de vapor de alta pressão no balanço da planta 64, tal como uma peneira molecular (não mostrada). Dessa maneira, a exalação rápida de qualidade relativamente baixa 46 é convertida eficientemente em uma mistura de qualidade intermediária superior 60, eliminando a necessidade de reduzir a pressão de vapor de usina disponível 56 com uma válvula de redução de pressão menos eficiente a fim de satisfazer uma demanda de pressão intermediária de vapor na usina 10. O vapor gasto é condensado e fornecido como o condensado 70 a um recipiente de alimentação de caldeira 72. O líquido de compensação 68 é adicionado ao recipiente de vaporização rápida 44 a fim de compensar a perda de massa do ciclo de fluido 48 como exalação rápida 46 e purgação 50. O líquido de compensação 68 pode ser introduzido diretamente no recipiente de vaporização rápida 44, conforme ilustrado, ou em outra localização no ciclo de fluido 48. O líquido de compensação 68 pode partir do condensado 70 do balanço da planta 64, conforme ilustrado, ou de outras fontes convenientes, tais como do recipiente de alimentação de caldeira 72 ou de uma fonte de água de compensação de caldeira (não ilustrada). Em algumas modalidades, a purgação 50 do recipiente de vaporização rápida 44 pode ser circulada diretamente ou indiretamente de volta ao recipiente de alimentação de caldeira 72.
[019] Pode ser observado a partir da Fig. 1 que um circuito de caldeira 74 da usina 10 inclui o recipiente de alimentação de caldeira 72, a caldeira 66 e as porções do balanço da planta 64 incluindo o condensador (não ilustrado). Um circuito de energia recuperada 76 sai em paralelo ao circuito de caldeira 74 e serve para fornecer vapor para usos de pressão intermediária ou baixa no balanço da planta 64. O circuito de
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 10/14
7/9 energia recuperada 76 inclui o ciclo de fluido de trabalho 48 que move calor do economizador de condensação de escape de secador 24 no recipiente de vaporização rápida 44, assim como o compressor térmico 54, porções do balanço da planta 64 e recipiente de alimentação de caldeira 72. Ambos os circuitos 74, 76 operam com fluidos essencialmente idênticos intermisturados, que nessa modalidade da invenção é água com qualidade de água de alimentação de caldeira.
[020] As modalidades da presente invenção podem utilizar água, tal como vapor condensado, associado tipicamente ao sistema a vapor de uma usina, como o fluido de trabalho (o líquido refrigerado rapidamente 40, líquido aquecido 42 e o líquido de compensação 68). Um dentre os benefícios de utilizar o vapor condensado ou soluções de água semelhantes é a composição da exalação rápida 46 quase idêntica àquela de um vapor de usina derivado de caldeira típica. A utilização de um líquido compatível, tal como vapor de usina condensado, rende um condensado idêntico ou quase idêntico da mistura de vapor 60 em comparação ao vapor de usina derivado de caldeira típica condensado. Isso permite que a presente invenção seja instalada dentro dos construtos de sistemas a vapor típicos sem o uso de líquidos não compatíveis com caldeira.
[021] Outras modalidades podem ser idealizadas quando o fluido de trabalho for um fluido não água que seja compatível com um fluido de sistema de balanço de planta de não água, por exemplo, um ciclo Rankine fechado que usa um fluido alternativo, tal como etanol ou metanol.
[022] A presente invenção permite que a energia de calor de escape de secador recuperada seja utilizada totalmente com eficiência. Ademais, a condensação de água dentro do gás de escape de secador facilita a remoção de alguns poluentes solúveis em água que, de outro modo, teriam que ser destruídos, tipicamente no oxidante térmico 36, ou emitidos para poluição para a atmosfera 38. A inclusão opcional da etapa de saturação, isto é, o purificador de água 22, pode remover ainda mais poluentes potenciais do que a condensação sozinha. A energia consumida no oxidante térmico 36 pode ser estimada como o aumento líquido em temperatura entre os gases de alimentação e os gases de saída, multiplicada pelo calor específico desses gases, multiplicada pela taxa de fluxo de massa desses gases. A condensação de água de
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 11/14
8/9 dentro do escape de secador pela presente invenção reduz o fluxo de massa total do escape de secador que entra no oxidante térmico 36, que reduz subsequentemente a quantidade de energia usada e desperdiçada durante a etapa de oxidação a jusante. [023] A eficiência de transferência de calor no economizador de condensação de escape de secador 24 pode ser aprimorada aumentando-se a pressão do escape saturado 26 até um valor acima da pressão ambiente normal usado para aumentar o fluxo do gás através do sistema. Isso pode ser realizado incluindo-se um dispositivo de aumento de pressão, tal como um soprador 78 na trajetória de fluxo de escape em qualquer lugar a montante do economizador de condensação de escape de secador 24 (por exemplo, a montante do secador 14, entre o secador 14 e o purificador 22 ou entre o purificador 22 e o economizador 24) e um dispositivo de controle de pressão 80 na trajetória de fluxo de escape em qualquer lugar a jusante do economizador de condensação de escape de secador 24 e antes da ventilação para a atmosfera 38. [024] Durante a atualização de uma usina existente para incluir esse recurso opcional, a capacidade em excesso de um soprador existente do sistema de secador pode ser utilizada, submetida às limitações de pressão no restante dos componentes de sistema. [025] Um aumento de pressão de apenas 2,54 centímetros (uma polegada) de mercúrio pode render um aprimoramento de vinte cinco por cento na diferença de temperatura média logarítmica no economizador de condensação de escape de secador 24.
[026] Em outra modalidade, uma usina que inclui um secador operável para remover umidade de um bolo úmido e para produzir gás de escape de secador que compreende vapor d'água pode incluir um aprimoramento que inclui: um economizador de condensação de escape de secador que tem uma entrada de gás de escape para receber o gás de escape de secador e uma saída de gás de escape para descarregar gás de escape de secador desidratado, e que tem adicionalmente um entrada de fluido de refrigeração e uma entrada de fluido de refrigeração do economizador de condensação de escape de secador em comunicação fluida com um circuito de caldeira da usina; e uma câmara de saturação disposta entre o secador e o economizador de condensação de escape de secador para saturar o gás de escape de secador com vapor d'água a montante da entrada de gás de escape de economizador
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 12/14
9/9 de condensação de escape de secador. O aprimoramento pode incluir adicionalmente um conduto para entregar condensado de escape de secador do economizador de condensação de escape de secador à câmara de saturação. O aprimoramento pode incluir um dispositivo de aumento de pressão disposto em uma trajetória de fluxo do gás de escape de secador a montante do economizador de condensação de escape de secador e um dispositivo de controle de pressão disposto na trajetória de fluxo do gás de escape de secador a jusante do economizador de condensação de escape de secador, sendo que o dispositivo de aumento de pressão e o dispositivo de controle de pressão são operáveis de maneira cooperativa para controlar uma pressão do gás de escape de secador no economizador de condensação de escape de secador. O aprimoramento pode incluir: um recipiente de vaporização rápida que compreende uma entrada de fluido de trabalho, uma saída de fluido de trabalho e uma saída de exalação rápida; um ciclo de fluido de trabalho que interconecta o entrada de fluido de refrigeração de economizador de condensação de escape de secador com a entrada de fluido de trabalho de recipiente de vaporização rápida e interconecta a saída de recipiente de vaporização rápida fluido de trabalho com a entrada de fluido de refrigeração de economizador de condensação de escape de secador; e um compressor térmico que tem um lado de sucção para receber uma exalação rápida da saída de exalação rápida do recipiente de vaporização rápida e um lado motriz para receber exalação de processo de usina, sendo que o compressor térmico operável produz uma mistura de exalação. Tal usina pode ser uma usina de etanol de milho, e a exalação de processo de usina e a mistura de exalação podem ser vapor.
[027] Embora várias modalidades da presente invenção tenham sido mostradas e descritas no presente documento, ficará óbvio que tais modalidades são fornecidas a título de exemplo apenas. Inúmeras variações, mudanças e substituições podem ser feitas sem que haja afastamento da invenção no presente documento.
[028] Consequentemente, a invenção está destinada apenas a ser limitada pelo espírito e pelo escopo das reivindicações anexas.
Petição 870180009568, de 05/02/2018, pág. 13/14
1/4