BR102021015448A2

BR102021015448A2 - Sistema e método para queimar combustível de alta umidade para gerar vapor

Info

Publication number: BR102021015448A2
Application number: BR102021015448-9A
Authority: BR
Inventors: Mark Daniel D'agostini
Original assignee: Air Products And Chemicals, Inc
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2022-06-07
Also published as: US20220049848A1; EP3957913A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um processo para queimar um combustível de alta umidade para gerar vapor, em que o combustível sólido de alta umidade é primeiro seco por contato com uma corrente de gás depletada de oxigênio enquanto é aquecido por troca de calor indireta com um fluido térmico recirculante. O combustível seco é, então, queimado com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão cujo primeiro calor é usado para gerar vapor e, então, para preaquecer a corrente de ar de combustão por troca de calor indireta, em que uma porção da corrente de ar de combustão e/ou uma porção da corrente de produtos de combustão desvia-se do trocador de calor. A corrente de produtos de combustão fornece também calor para secar o combustível sólido por meio do fluido térmico recirculante.

Description

SISTEMA E MÉTODO PARA QUEIMAR COMBUSTÍVEL DE ALTA UMIDADE PARA GERAR VAPOR

ANTECEDENTES

[001] A presente invenção fornece sistemas e métodos para secar e queimar um combustível de alta umidade a fim de gerar vapor, assim como sistemas e métodos para aprimorar a queima de um combustível de baixa BTU por enriquecimento de oxigênio da corrente de ar de combustão.

[002] O uso eficiente de biomassa, carvão de baixo nível e outros combustíveis sólidos em recipientes de reação como caldeiras de geração de vapor, fornos de fusão/aquecimento de processo e gaseificadores é frequentemente limitado pelo alto teor de umidade do combustível. Em caldeiras, os altos níveis de umidade de combustível suprimem a temperatura de chama levando à taxa de transferência reduzida de calor radiante de caldeira, utilização insatisfatória de combustível (altos níveis de carbono não queimado) e, por fim, à capacidade de geração de vapor que é abaixo das expectativas de projeto. Ademais, a alta umidade de combustível leva a fluxos de volume de efluente gasoso extremamente grandes e baixa eficiência de caldeira devido à perda de calor latente nos gases de escape saindo a pilha.

[003] A combustão pode ser tornada mais eficiente por meio da injeção direta ou indireta de um gás que tem uma concentração de oxigênio superior a 20,9% no ar ambiente. Os benefícios primários incluem aumentar tanto a temperatura de chama (levando a taxas superiores de transferência de calor de radiação) quanto a taxa de cinética de combustão (levando adicionalmente à eficiência de combustão superior), assim como reduzir a taxa de fluxo de ar de combustão necessária, levando à taxa de fluxo inferior dos produtos de combustão. Para um dado tamanho de caldeira, isso possibilita uma produtividade superior de combustível e geração de vapor e/ou potência.

[004] Mullen (documento US 5.107.777) ensina um método para aprimorar a combustão de combustíveis com um alto teor de umidade com o uso de enriquecimento de oxigênio.

[005] Braneuzsky et al. (documento US 2011/0030235) ensina um método para secar mercadorias a granel como lascas de madeira em um ambiente inerte com o uso de gás de escape depletado de oxigênio para aprimorar a segurança e reduzir as emissões.

[006] Hauk (documento US 5.327.717) ensina um método para secar um carvão de alta umidade para fornecer um gaseificador de carvão que usa nitrogênio para submeter à inércia o secador e água quente sob pressão para fornecer calor por troca de calor indireta.

[007] Um meio econômico, seguro e tecnicamente adequado para reduzir a umidade de combustível é, portanto, necessário para aprimorar a eficiência de caldeira e aumentar a taxa de geração de vapor, de modo a reduzir drasticamente, assim, o custo da geração de vapor e produção de energia elétrica. Visto que os níveis de umidade de combustível estão sujeitos à alteração com condições ambientais sazonais e alterações no fornecimento de combustível, o sistema deve oferecer uma ampla flexibilidade operacional para possibilitar a otimização à medida que as circunstâncias variam.

SUMÁRIO

[008] Esta invenção refere-se a um processo para gerar vapor a partir de um combustível sólido de alta umidade e baixa BTU. O processo integra termicamente um secador com uma caldeira, em que a corrente de produtos de combustão que sai da caldeira fornece calor de processo na forma de um fluido térmico recirculante para secar o combustível úmido enquanto uma atmosfera inerte garante a operação segura do secador. A eficiência pode ser aprimorada adicionalmente pelo enriquecimento de oxigênio no ar de combustão usado na caldeira. O grau de enriquecimento de oxigênio pode ser usado para controlar a operação do gerador de vapor.

[009] Aspecto 1: Um processo para queimar um combustível de alta umidade para gerar vapor, em que o processo compreende colocar um combustível sólido de alta umidade em contato com uma corrente de gás depletada de oxigênio enquanto aquece o combustível sólido de alta umidade por troca de calor indireta com um fluido térmico recirculante para produzir um combustível sólido seco e uma corrente de gás depletada de oxigênio úmida; queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão que tem uma quantidade de calor; transferir uma primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; transferir uma segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; transferir uma terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; e desviar uma, ou tanto uma porção da corrente de ar de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão quanto uma porção da corrente de produtos de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão.

[0010] Aspecto 2: Um processo, de acordo com o Aspecto 1, em que o combustível sólido de alta umidade flui contra a corrente em relação ao fluido térmico recirculante e a favor da corrente em relação à corrente de gás depletada de oxigênio.

[0011] Aspecto 3: Um processo, de acordo com o Aspecto 1 ou Aspecto 2, em que a temperatura da corrente de gás depletada de oxigênio úmida é maior que 80°C.

[0012] Aspecto 4: Um processo de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 3, que compreende ainda adicionar uma corrente enriquecida com oxigênio à corrente de ar de combustão antes de queimar o combustível sólido seco; e controlar uma, ou tanto uma taxa de fluxo da corrente enriquecida com oxigênio quanto uma localização da adição da corrente enriquecida com oxigênio para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura de vapor, pressão de vapor, nível de tambor de vapor, temperatura de grelha de fornalha, temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de gás depletada de oxigênio úmida, temperatura do combustível sólido seco, nível de umidade do combustível sólido de alta umidade e nível de umidade do combustível sólido seco.

[0013] Aspecto 5: Um processo, de acordo com o Aspecto 4, em que a corrente enriquecida com oxigênio e a corrente depletada de oxigênio são ambas produzidas pela mesma unidade de separação de ar.

[0014] Aspecto 6: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 1 a 5, em que, ao desviar uma porção da corrente de ar de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente de gás depletada de oxigênio após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade; e em que, ao desviar uma porção da corrente de produtos de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de produtos de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produto de combustão antes de transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produto de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente depletada de oxigênio após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade.

[0015] Aspecto 7: Um aparelho para gerar vapor que compreende um secador configurado e disposto para criar contato entre um combustível sólido de alta umidade e uma corrente de gás depletada de oxigênio e para produzir um combustível sólido seco; um sistema de ar de combustão que tem uma entrada de ar para receber ar e uma saída de ar de combustão para descarregar a corrente de ar de combustão; uma caldeira que compreende uma seção radiante, uma seção convectiva e uma seção de recuperação de energia, sendo a seção radiante configurada e disposta para receber o combustível sólido seco a partir do secador e a corrente de ar de combustão a partir do sistema de ar de combustão, e para queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão e uma quantidade de calor, em que a seção radiante tem uma primeira porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão abaixo de uma localização de alimentação do combustível sólido seco, em que a seção convectiva tem um trocador de calor auxiliar em comunicação de fluxo de fluido com a seção radiante para aquecer água por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para produzir vapor, e em que a seção de recuperação de energia inclui um preaquecedor de ar para preaquecer a corrente de ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão, e um trocador de calor auxiliar para aquecer um primeiro fluido de transferência de calor, um ou ambos dentre um conduto de desvio de ar de combustão que inclui uma válvula de controle de desvio de ar de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de ar de combustão ao redor do preaquecedor de ar e um conduto de desvio de produtos de combustão que inclui uma válvula de desvio de produtos de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de produto de combustão ao redor do preaquecedor de ar.

[0016] Aspecto 8: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 7, em que o secador tem uma seção de entrada e uma seção de saída, em que a seção de entrada inclui uma entrada de combustível sólido de alta umidade, uma entrada de corrente depletada de oxigênio e uma saída de fluido térmico recirculante; em que a seção de saída inclui uma saída de combustível sólido de alta umidade, uma saída de corrente depletada de oxigênio e uma entrada de fluido térmico recirculante.

[0017] Aspecto 9: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 7 ou Aspecto 8, em que o sistema de ar de combustão tem ainda uma entrada de oxigênio para receber oxigênio e uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para possibilitar o enriquecimento controlado de oxigênio da corrente de ar de combustão a montante da saída de ar de combustão.

[0018] Aspecto 10: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 9, que compreende ainda um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: temperatura de vapor, pressão de vapor, umidade na entrada de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de combustível sólido de alta umidade e umidade na saída de corrente depletada de oxigênio; e um ciclo de controle de oxigênio programado para controlar a uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para aumentar ou reduzir o enriquecimento de oxigênio da corrente de ar de combustão com base no sinal do um ou mais dentre os sensores.

[0019] Aspecto 11: Um aparelho, de acordo com qualquer um dos Aspectos 7 a 10, que compreende ainda um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: umidade na saída de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de corrente depletada de oxigênio, sensor de temperatura da corrente de produtos de combustão na seção radiante, e temperatura da corrente de produtos de combustão na seção convectiva; e quando o aparelho inclui um conduto de desvio de ar de combustão, um ciclo de controle de desvio de ar de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de ar de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores e, quando o aparelho inclui, um conduto de desvio de produtos de combustão, um ciclo de controle de desvio de produtos de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de produtos de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de produtos de combustão desviando a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores.

[0020] Aspecto 12: Um aparelho, de acordo com qualquer um dos Aspectos 7 a 11, em que a seção radiante tem ainda uma segunda porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão acima da localização de alimentação do combustível sólido seco.

[0021] Aspecto 13: Um processo para queimar um combustível de alta umidade para gerar vapor, em que o processo compreende colocar um combustível sólido de alta umidade em contato com uma corrente de gás inerte aquecida para produzir um combustível sólido seco e uma corrente de gás inerte úmida; queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão que tem uma quantidade de calor; transferir uma primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; transferir uma segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; transferir uma terceira porção da quantidade de calor para uma corrente de gás inerte por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para produzir a corrente de gás inerte aquecida; e desviar uma, ou tanto uma porção da corrente de ar de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão quanto uma porção da corrente de produtos de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão.

[0022] Aspecto 14: Um processo, de acordo com o Aspecto 13, em que o combustível sólido de alta umidade flui contra a corrente em relação à corrente de gás inerte aquecida.

[0023] Aspecto 15: Um processo, de acordo com o Aspecto 13 ou Aspecto 14, em que a temperatura da corrente de gás inerte úmida é maior que 80°C.

[0024] Aspecto 16: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 13 a 15, que compreende ainda remover particulados e água da corrente de gás inerte úmida para produzir a corrente de gás inerte.

[0025] Aspecto 17: Um processo, de acordo com o Aspecto 16, que compreende ainda aumentar a pressão da corrente de gás inerte antes de transferir a terceira porção da quantidade de calor para a corrente de gás inerte.

[0026] Aspecto 18: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 13 a 17, que compreende ainda adicionar uma corrente enriquecida com oxigênio à corrente de ar de combustão antes de queimar o combustível sólido seco; e controlar uma, ou tanto uma taxa de fluxo da corrente enriquecida com oxigênio quanto uma localização da adição da corrente enriquecida com oxigênio para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura de vapor, pressão de vapor, nível de tambor de vapor, temperatura de grelha de fornalha, temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de gás depletada de oxigênio úmida, temperatura do combustível sólido seco, nível de umidade do combustível sólido de alta umidade e nível de umidade do combustível sólido seco.

[0027] Aspecto 19: Um processo, de acordo com o Aspecto 18, em que a corrente enriquecida com oxigênio e a corrente de gás inerte são ambas produzidas pela mesma unidade de separação de ar.

[0028] Aspecto 20: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 13 a 19, em que, ao desviar uma porção da corrente de ar de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para a corrente de gás inerte, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente de gás inerte após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade; e em que, ao desviar uma porção da corrente de produtos de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de produtos de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produto de combustão antes de transferir a terceira porção da quantidade de calor para a corrente de gás inerte, temperatura da corrente de produto de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para a corrente de gás inerte, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente de gás inerte após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade.

[0029] Aspecto 21: Um aparelho para gerar vapor que compreende um secador configurado e disposto para criar contato entre um combustível sólido de alta umidade e uma corrente de gás inerte aquecida e para produzir um combustível sólido seco; um sistema de ar de combustão que tem uma entrada de ar para receber ar e uma saída de ar de combustão para descarregar a corrente de ar de combustão; uma caldeira que compreende uma seção radiante, uma seção convectiva e uma seção de recuperação de energia, sendo a seção radiante configurada e disposta para receber o combustível sólido seco do secador e a corrente de ar de combustão do sistema de ar de combustão, e para queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão e uma quantidade de calor, em que a seção radiante tem uma primeira porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão abaixo de uma localização de alimentação do combustível sólido seco, em que a seção convectiva tem um trocador de calor auxiliar em comunicação de fluxo de fluido com a seção radiante para aquecer água por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para produzir vapor, e em que a seção de recuperação de energia inclui um preaquecedor de ar para preaquecer a corrente de ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; um trocador de calor auxiliar para aquecer uma corrente de gás inerte para produzir a corrente de gás inerte aquecida; e um ou ambos dentre um conduto de desvio de ar de combustão que inclui uma válvula de controle de desvio de ar de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de ar de combustão ao redor do preaquecedor de ar e um conduto de desvio de produtos de combustão que inclui uma válvula de desvio de produtos de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de produto de combustão ao redor do preaquecedor de ar.

[0030] Aspecto 22: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 21, em que o secador tem uma seção de entrada e uma seção de saída, em que a seção de entrada inclui uma entrada de combustível sólido de alta umidade e uma saída de corrente de gás inerte úmida; em que a seção de saída inclui uma saída de combustível sólido de alta umidade, e uma entrada de gás inerte aquecido.

[0031] Aspecto 23: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 21 ou Aspecto 23, em que o sistema de ar de combustão tem ainda uma entrada de oxigênio para receber oxigênio e uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para possibilitar o enriquecimento controlado de oxigênio da corrente de ar de combustão a montante da saída de ar de combustão.

[0032] Aspecto 24: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 23, que compreende ainda um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: temperatura de vapor, pressão de vapor, umidade na entrada de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de combustível sólido de alta umidade e umidade na saída de corrente de gás inerte; e um ciclo de controle de oxigênio programado para controlar a uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para aumentar ou reduzir o enriquecimento de oxigênio da corrente de ar de combustão com base no sinal do um ou mais dentre os sensores.

[0033] Aspecto 25: Um aparelho, de acordo com qualquer um dos Aspectos 21 a 24, que compreende ainda um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: umidade na saída de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de corrente de gás inerte, sensor de temperatura da corrente de produtos de combustão na seção radiante e temperatura da corrente de produtos de combustão na seção convectiva; e quando o aparelho inclui um conduto de desvio de ar de combustão, um ciclo de controle de desvio de ar de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de ar de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores e, quando o aparelho inclui, um conduto de desvio de produtos de combustão, um ciclo de controle de desvio de produtos de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de produtos de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de produtos de combustão desviando a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores.

[0034] Aspecto 26: Um aparelho, de acordo com qualquer um dos Aspectos 21 a 25, em que a seção radiante tem ainda uma segunda porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão acima da localização de alimentação do combustível sólido seco.

[0035] Aspecto 27: Um processo para queimar um combustível de alta umidade para gerar vapor, em que o processo compreende colocar um combustível sólido de alta umidade em contato com uma corrente de gás inerte aquecida para produzir um combustível sólido seco e uma corrente de gás inerte úmida; queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão que tem uma quantidade de calor; transferir uma primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; transferir uma segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; transferir uma terceira porção da quantidade de calor para um fluido térmico recirculante por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; aquecer uma corrente de gás inerte por troca de calor indireta com o fluido recirculante para produzir a corrente de gás inerte aquecida; e desviar uma, ou tanto uma porção da corrente de ar de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão quanto uma porção da corrente de produtos de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão.

[0036] Aspecto 28: Um processo, de acordo com o Aspecto 27, em que o combustível sólido de alta umidade flui contra a corrente em relação à corrente de gás inerte aquecida.

[0037] Aspecto 29: Um processo, de acordo com o Aspecto 27 ou Aspecto 28, em que a temperatura da corrente de gás inerte úmida é maior que 80°C.

[0038] Aspecto 30: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 27 a 29, que compreende ainda remover particulados e água da corrente de gás inerte úmida para produzir a corrente de gás inerte.

[0039] Aspecto 31: Um processo, de acordo com o Aspecto 30, que compreende ainda aumentar a pressão da corrente de gás inerte antes de transferir a terceira porção da quantidade de calor para a corrente de gás inerte.

[0040] Aspecto 32: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 27 a 31, que compreende ainda adicionar uma corrente enriquecida com oxigênio à corrente de ar de combustão antes de queimar o combustível sólido seco; e controlar uma, ou tanto uma taxa de fluxo da corrente enriquecida com oxigênio quanto uma localização da adição da corrente enriquecida com oxigênio para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura de vapor, pressão de vapor, nível de tambor de vapor, temperatura de grelha de fornalha, temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de gás depletada de oxigênio úmida, temperatura do combustível sólido seco, nível de umidade do combustível sólido de alta umidade e nível de umidade do combustível sólido seco.

[0041] Aspecto 33: Um processo, de acordo com o Aspecto 32, em que a corrente enriquecida com oxigênio e a corrente de gás inerte são ambas produzidas pela mesma unidade de separação de ar.

[0042] Aspecto 34: Um processo, de acordo com qualquer um dos Aspectos 27 a 33, em que, ao desviar uma porção da corrente de ar de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente de gás inerte após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade; e em que, ao desviar uma porção da corrente de produtos de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de produtos de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produto de combustão antes de transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produto de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente de gás inerte após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade.

[0043] Aspecto 35: Um aparelho para gerar vapor que compreende um secador configurado e disposto para criar contato entre um combustível sólido de alta umidade e uma corrente de gás inerte aquecida e para produzir um combustível sólido seco; um sistema de ar de combustão que tem uma entrada de ar para receber ar e uma saída de ar de combustão para descarregar a corrente de ar de combustão; uma caldeira que compreende uma seção radiante, uma seção convectiva e uma seção de recuperação de energia, sendo a seção radiante configurada e disposta para receber o combustível sólido seco do secador e a corrente de ar de combustão do sistema de ar de combustão, e para queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão e uma quantidade de calor, em que a seção radiante tem uma primeira porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão abaixo de uma localização de alimentação do combustível sólido seco, em que a seção convectiva tem um trocador de calor auxiliar em comunicação de fluxo de fluido com a seção radiante para aquecer água por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para produzir vapor, e em que a seção de recuperação de energia inclui um preaquecedor de ar para preaquecer a corrente de ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; e um trocador de calor auxiliar para aquecer um primeiro fluido de transferência de calor; um ou ambos dentre um conduto de desvio de ar de combustão que inclui uma válvula de controle de desvio de ar de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de ar de combustão ao redor do preaquecedor de ar e um conduto de desvio de produtos de combustão que inclui uma válvula de desvio de produtos de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de produto de combustão ao redor do preaquecedor de ar; e um trocador de calor híbrido para aquecer uma corrente de gás inerte por troca de calor indireta com o primeiro fluido de transferência de calor para produzir a corrente de gás inerte aquecida.

[0044] Aspecto 36: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 35, em que o secador tem uma seção de entrada e uma seção de saída, em que a seção de entrada inclui uma entrada de combustível sólido de alta umidade e uma saída de corrente de gás inerte úmida; em que a seção de saída inclui uma saída de combustível sólido de alta umidade, e uma entrada de gás inerte aquecido.

[0045] Aspecto 37: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 35 ou Aspecto 36, em que o sistema de ar de combustão tem ainda uma entrada de oxigênio para receber oxigênio e uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para possibilitar o enriquecimento controlado de oxigênio da corrente de ar de combustão a montante da saída de ar de combustão.

[0046] Aspecto 38: Um aparelho, de acordo com o Aspecto 37, que compreende ainda um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: temperatura de vapor, pressão de vapor, umidade na entrada de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de combustível sólido de alta umidade e umidade na saída de corrente de gás inerte; e um ciclo de controle de oxigênio programado para controlar a uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para aumentar ou reduzir o enriquecimento de oxigênio da corrente de ar de combustão com base no sinal do um ou mais dentre os sensores.

[0047] Aspecto 39: Um aparelho, de acordo com qualquer um dos Aspectos 35 a 38, que compreende ainda um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: umidade na saída de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de corrente de gás inerte, sensor de temperatura da corrente de produtos de combustão na seção radiante e temperatura da corrente de produtos de combustão na seção convectiva; e quando o aparelho inclui um conduto de desvio de ar de combustão, um ciclo de controle de desvio de ar de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de ar de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores e, quando o aparelho inclui, um conduto de desvio de produtos de combustão, um ciclo de controle de desvio de produtos de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de produtos de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de produtos de combustão desviando a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores.

[0048] Aspecto 40: Um aparelho, de acordo com qualquer um dos Aspectos 35 a 39, em que a seção radiante tem ainda uma segunda porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão acima da localização de alimentação do combustível sólido seco.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0049] A presente invenção será doravante descrita em combinação com as figuras anexas em que numerais similares representam elementos similares:

[0050] A Fig. 1 é um esquema de fluxograma que representa um processo de geração de vapor da técnica anterior.

[0051] A Fig. 2 é um esquema de fluxograma que representa uma modalidade de um processo de geração de vapor em que o combustível é primeiro seco com o uso de um fluido térmico recirculante que é aquecido pelos produtos de combustão.

[0052] A Fig. 3 é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 2, em que o nível de enriquecimento de oxigênio é aumentado ou reduzido para controlar as propriedades de combustão da caldeira e/ou as condições no gerador de vapor.

[0053] A Fig. 3A é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 4, em que as condições na caldeira são usadas para aumentar ou reduzir a quantidade de enriquecimento de oxigênio e/ou taxa de fluxo de desvio de ar de combustão.

[0054] A Fig. 4 é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 3, em que a taxa de fluxo da corrente de desvio de produtos de combustão é aumentada ou reduzida para controlar a quantidade de água removida do combustível úmido sólido no secador através do aumento ou da redução da quantidade de calor que pode ser transferida para o fluido térmico recirculante.

[0055] A Fig. 4A é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 4, em que as condições na caldeira são usadas para aumentar ou reduzir a quantidade de enriquecimento de oxigênio e/ou taxa de fluxo de desvio de produtos de combustão.

[0056] A Fig. 5 é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 3, em que o combustível é seco por uma corrente de gás depletada de oxigênio que foi aquecida pelos produtos de combustão.

[0057] A Fig. 6 é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 5, em que a corrente de gás depletada de oxigênio forma um ciclo fechado introduzindo um sistema de remoção de particulado, condensador e soprador.

[0058] A Fig. 7 é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 5, em que o trabalho de aquecimento para a corrente de gás depletada de oxigênio é transferido dos produtos de combustão por um fluido térmico recirculante.

[0059] A Fig. 8 é um esquema de fluxograma que representa uma modificação da modalidade da Fig. 6, em que o trabalho de aquecimento para a corrente de gás depletada de oxigênio é transferido dos produtos de combustão por um fluido térmico recirculante.

[0060] A Fig. 9A é uma seção transversal que mostra uma modalidade de um secador de combustível em que um fluido recirculante flui através de um espaço anular em um recipiente de parede dupla.

[0061] A Fig. 9B é uma seção transversal que mostra uma modalidade de um secador de combustível, em que um fluido recirculante flui através de tubos que passam através do secador.

[0062] A Fig. 10 é um gráfico que mostra a relação entre a temperatura de saída de secador e a quantidade de vapor de água em uma corrente de nitrogênio.

[0063] A Fig. 11 é um diagrama esquemático que mostra os padrões de fluxo contra e a favor da corrente no secador de combustível.

[0064] A Fig. 12 é um gráfico que mostra a eficiência de caldeira como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 2.

[0065] A Fig. 13 é um gráfico que mostra a temperatura de chama como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 2.

[0066] A Fig. 14 é um gráfico que mostra a taxa de fluxo de efluente gasoso como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 2.

[0067] A Fig. 15 é um gráfico que mostra a taxa de fluxo de vapor como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 2.

[0068] A Fig. 16 é um gráfico que mostra a eficiência de caldeira como uma função de nível de enriquecimento de oxigênio para o Exemplo 3.

[0069] A Fig. 17 é um gráfico que mostra a temperatura de chama como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 3.

[0070] A Fig. 18 é um gráfico que mostra a taxa de fluxo de efluente gasoso como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 3.

[0071] A Fig. 19 é um gráfico que mostra a taxa de fluxo de vapor como uma função de umidade de combustível como queimado para o Exemplo 3.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0072] A Fig. 1 mostra uma modalidade da técnica anterior, um sistema 101 para queimar um combustível sólido 10 para gerar vapor que inclui a caldeira 115. O combustível sólido 10 pode ter um alto teor de umidade, caso em que seria um combustível sólido de alta umidade. O combustível sólido 10 entra em uma seção radiante 120 da caldeira 115, em que a transferência de calor radiante domina em relação à transferência de calor convectiva. A caldeira 115 é representada com uma caldeira acesa por fornalha ou grelha, que tipicamente terá uma grelha 110 com orifícios dimensionados para reter partículas do combustível sólido 10, porém, permitir ainda a passagem de uma corrente de ar de combustão primária 16 que sobe através da grelha 110 para facilitar a combustão. A caldeira 115 pode, de outro modo, ser uma caldeira de leito fluidizado, caldeira tipo ciclone, caldeira de combustível pulverizado ou qualquer outra caldeira configurada para receber e queimar eficientemente as partículas de combustível 10.

[0073] Uma corrente de ar 12 é preaquecida em um preaquecedor de ar 150 para formar uma corrente de ar de combustão 14, que pode, então, ser dividida em duas ou mais correntes conforme ditado pela geometria da caldeira. No caso da caldeira de fornalha 115 mostrada na Fig. 1, pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão 14 pode ser dividida para formar a corrente de ar de combustão primária 16 que entra abaixo da grelha 110 e fornece a reação de combustão rápida crucial, e uma corrente de ar de combustão secundária 18 que pode ser usada acima da grelha 110 para aprimorar a combustão, em particular, oxidando quaisquer compostos orgânicos voláteis ou compostos parcialmente oxidados como monóxido de carbono. A combustão do combustível sólido 10 primeiro fornece calor à seção radiante 120 para converter água em vapor, após o qual a corrente gasosa de produtos de combustão 20 que tem uma quantidade de calor entra em uma seção convectiva da caldeira 101, que compreende um superaquecedor 130 e um economizador 140. Por fim, a corrente gasosa de produtos de combustão 32 entra em uma seção de recuperação de energia que compreende um preaquecedor de ar 150.

[0074] Como usada no presente documento, a frase “pelo menos uma porção” significa “uma porção ou a totalidade”. A “pelo menos uma porção de uma corrente” tem a mesma composição, com a mesma concentração de cada uma das espécies, que a corrente da qual é derivada.

[0075] A corrente de produtos de combustão 20 entra no superaquecedor 130, que é um trocador de calor indireto entre a corrente de produtos de combustão 20 e uma corrente de água ou vapor saturado (não mostrada). O superaquecedor 130 extrai o calor da corrente de produtos de combustão 20 para a corrente de água ou vapor saturado para gerar uma corrente de vapor superaquecida 24 por troca de calor indireta, enquanto, ao mesmo tempo, converte a corrente de produtos de combustão 30 em uma primeira corrente de produtos de combustão resfriada 26 que perdeu uma porção da quantidade de calor portada originalmente pela corrente de produtos de combustão 20. As correntes 20 e 26 têm a mesma composição.

[0076] O termo “troca de calor indireta” refere-se ao processo de transferir calor sensível e/ou calor latente entre dois ou mais fluidos sem que os fluidos em questão entrem em contato físico um com o outro. O calor pode ser transferido através da parede de um trocador de calor ou com o uso de um fluido de transferência de calor intermediário. Como usado no presente documento, “primeiro”, “segundo”, “terceiro” etc. são usados para se distinguir dentre uma pluralidade de etapas e/ou recursos, e não são indicativos do número total, ou posição relativa em tempo e/ou espaço, a menos que expressamente indicado como tal.

[0077] A primeira corrente de produtos de combustão resfriada 26, então, entra no economizador 140 e transfere calor indiretamente para uma corrente de água 28 para formar uma corrente de água aquecida (não mostrada), que pode, então, ser usada diretamente por processos a jusante ou aquecida adicionalmente para produzir mais vapor. Ao mesmo tempo, o economizador 140 converte a primeira corrente de produtos de combustão resfriada 26 em uma segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32 que perdeu ainda mais da quantidade de calor original. Porém, todas as correntes 20, 26 e 32 ainda têm a mesma composição.

[0078] A segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32, então, fornece calor para o preaquecedor de ar 150, conforme discutido acima, aquecendo a corrente de ar 12 para produzir a corrente de ar de combustão 14, e saindo de uma terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34, que, então, sai do efluente como gás de escape 36.

[0079] Será observado por uma pessoa versada na técnica, que a Fig. 1 ilustra um tipo de processo de geração de vapor, porém, os princípios gerais podem ser aplicados a qualquer sistema de geração de vapor no aquecimento de água por transferência de calor radiativa e convectiva para produzir vapor saturado e/ou supersaturado.

[0080] As Figs. 2 a 8 mostram várias modalidades de sistemas projetados especificamente para manusear combustíveis sólidos de alta umidade como uma entrada e, para fazê-lo de modo muito mais eficiente do que o sistema da técnica anterior 101 discutido acima com referência à Fig. 1.

[0081] A Fig. 2 ilustra uma modalidade de um sistema 102 que, além da caldeira 115, incorpora um secador 160 configurado para receber combustível sólido de alta umidade 10 e descarregar um combustível sólido seco 38. O secador 160- utiliza um gás de proteção depletado de oxigênio 40 como nitrogênio, dióxido de carbono, argônio ou qualquer outro gás inerte adequado (isto é, um gás que não promove uma reação de oxidação com o combustível sólido 10), que tem concentração de oxigênio menor que cerca de 5% em volume, preferencialmente menor que cerca de 3% em volume, mais preferencialmente, menor que cerca de 1% em volume para extrair umidade do combustível sólido de alta umidade 10. O gás de proteção 40 é injetado no secador 160, onde entra em contato com o combustível sólido de alta umidade 10, suprimindo a inflamação de combustível enquanto, simultaneamente, remove a umidade. Após a remoção de umidade, o combustível sólido de alta umidade 10 é convertido no combustível sólido seco 38, que é, então, descarregado do secador 160. Um gás de proteção úmido 42, então, sai do recipiente de secador e é subsequentemente ventilado para uma localização segura, enquanto o combustível sólido seco 38 é entregue à seção radiante 120.

[0082] A baixa concentração de oxigênio do gás de proteção 40 é essencial, visto que combustíveis sólidos úmidos são propensos a reações de decomposição, levando ao autoaquecimento e à perda de teor de energia química, assim como à efluência de vapores combustíveis. A baixa concentração de oxigênio é eficiente tanto na redução da extensão de reações de decomposição quanto na prevenção de inflamação de efluentes gasosos combustíveis como monóxido de carbono e vapores de hidrocarboneto. O termo “depletado” significa que tem uma concentração percentual molar inferior do componente indicado do que a corrente original da qual foi formada. “Depletado” não significa que a corrente é completamente desprovida do componente indicado.

[0083] Preferencialmente, o gás de proteção 40 também tem uma baixa concentração de vapor de água. Isso se deve ao fato de que o baixo teor de vapor de água possibilita que uma maior quantidade de umidade de combustível seja evaporada antes que a saturação do gás de proteção 40 seja alcançada. Ademais, a taxa de transferência de massa de difusão de vapor de água da superfície de combustível para o gás de proteção 40 é proporcional à diferença na pressão parcial de vapor de água, Pwat,fs-Pwat,bg, em que Pwat,fs é a pressão parcial de vapor de água no equilíbrio com a superfície do combustível e Pwat,bg é a pressão parcial de vapor de água no gás de proteção 40. Portanto, à medida que Pwat,bg é reduzido, a taxa de difusão de vapor de água para o gás de proteção 40 é aumentada, levando a quantidades superiores de remoção de umidade de combustível por unidade de volume de recipiente no secador 160. Por essas razões, o gás de proteção 40 pode ter um teor de umidade menor que 1 % em mol, preferencialmente menor que 0,5% em mol.

[0084] O secador 160 é aquecido por troca de calor indireta com o uso de um fluido térmico recirculante aquecido 44 que, após aquecer o secador 160, deixa o secador 160 como um fluido térmico recirculante resfriado 46. Uma bomba 200 é usada para circular o fluido térmico, absorvendo o fluido recirculante resfriado 46 e descarregando um fluido térmico recirculante bombeado 48, que é aquecido por troca de calor indireta em um trocador de calor auxiliar 190 pela terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34, que resulta na corrente de escape 36 ser ainda mais resfriada do que a terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34. O projeto do secador 160 pode ser similar àquele de um forno giratório, um leito fluidizado, um de uma variedade de transportadoras ou parafusos acionados por motor ou outros dispositivos não mencionados explicitamente no presente documento. Na Fig. 2, a seção de recuperação de energia compreende ainda o trocador de calor auxiliar 190.

[0085] Na modalidade da Fig. 2, o preaquecedor de ar 150 é combinado com um sistema de desvio que compreende uma válvula de preaquecedor de ar 170 e uma válvula de desvio de ar de combustão 180 que são configuradas para controlar uma fração da corrente de ar 12 que flui através do preaquecedor de ar 150 e uma fração restante da corrente de ar 12 que se desvia do preaquecedor de ar 150 como uma corrente de desvio de ar de combustão 50. Será observado que desviar ou divergir toda ou uma porção da corrente de ar 12 ao redor do preaquecedor de ar 150 resultará em uma quantidade inferior de transferência de calor que ocorre entre a segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32 e a corrente de ar 12 do que se 100 % da corrente de ar 12 passasse através do trocador de calor do preaquecedor de ar 150 (isto é, desvio nulo). Portanto, desviar uma porção da corrente de ar 12 produz um ar de combustão de temperatura inferior 14 (isto é, 16, 18) entrando na seção radiante 120 e uma temperatura superior na terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34 em relação ao caso de desvio nulo. Como um resultado, seria esperado que desviar uma porção da corrente de ar 12 resultasse em mais calor transferido pelo fluido térmico recirculante no trocador de calor auxiliar 190 e, portanto, mais calor transferido para o secador 160, refletindo uma troca entre a quantidade de preaquecimento fornecida ao ar de combustão 14 e secura relativa do combustível sólido 38.

[0086] As Figs. 9A e 9B mostram seções transversais que ilustram duas modalidades possíveis para a tubulação do secador 160. A modalidade da Fig. 9A tem um secador de parede dupla com uma parede interna 362 e parede externa 364, e um espaço anular 366 entre as paredes 362 e 364, em que o fluido térmico recirculante 44 flui. A modalidade da Fig. 9B tem um recipiente de parede única 361 e tubos de transferência de calor 368 dentro do recipiente 361 através dos quais o fluido térmico recirculante 44 flui. Embora essas duas modalidades sejam exemplificativas, pode ser usada qualquer configuração do secador 160 que permita a troca de calor indireta para o conteúdo de um recipiente.

[0087] A Fig. 3 ilustra uma modalidade de um sistema 103 que, além dos recursos descritos no sistema 102 da Fig. 2, inclui ainda injeção direta ou indireta de um gás que tem uma concentração de oxigênio de pelo menos 30 % em volume, preferencialmente pelo menos 80 % em volume e, com máxima preferência, 90 % em volume ou superior na caldeira 115 para promover combustão enriquecida com oxigênio. O termo “enriquecido” significa ter uma concentração percentual molar superior do componente indicado do que a corrente original da qual foi formada. A injeção indireta compreende introdução de oxigênio em uma ou mais das correntes de ar de combustão 16, 18 que entram na caldeira 115, enquanto a injeção direta compreende uma corrente de oxigênio não diluída que entra na caldeira por meio de um conduto de oxigênio dedicado (não mostrado). A Fig. 4 mostra a injeção indireta em que uma corrente enriquecida com oxigênio primária 52 é introduzida com a corrente de ar de combustão primária 16 sob a grelha 110 e uma corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 é introduzida com a corrente de ar de combustão secundária 18 acima da grelha 110. Isso permite o controle independente de enriquecimento de oxigênio para a corrente de ar de combustão primária 16 e a corrente de ar de combustão secundária 18. Uma modalidade alternativa pode introduzir uma única corrente enriquecida com oxigênio em uma ou mais das correntes 12, 14 ou 50.

[0088] A Fig. 3A ilustra uma modalidade de um sistema 103A com um controlador C1 configurado para aumentar ou reduzir o enriquecimento de oxigênio da corrente de ar de combustão primária 16 e/ou da corrente de combustão secundária 18. Inúmeras variáveis de processo podem ser monitoradas para controlar o nível ou a localização de enriquecimento de oxigênio, inclusive a temperatura de vapor, pressão de vapor, temperatura de grelha de caldeira, temperatura da corrente de produtos de combustão 20, teor de umidade do combustível sólido de alta umidade 10 e teor de umidade do combustível sólido seco 38. Na Fig. 3A, o controlador C1 recebe sinais elétricos indicativos da variável (ou variáveis) de interesse. O controlador C1 é programado, com base em tais sinais, para controlar ou ajustar uma taxa de fluxo da corrente enriquecida com oxigênio primária 52 por meio de uma válvula de controle de oxigênio primária V1 e/ou uma taxa de fluxo da corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 por meio de uma válvula de controle de oxigênio secundária V2.

[0089] “A jusante” e “a montante” referem-se a uma direção de fluxo pretendida de um fluido de processo transferido. Se a direção de fluxo pretendida do fluido de processo for de um primeiro dispositivo para um segundo dispositivo, o segundo dispositivo está a jusante do primeiro dispositivo. No caso de uma corrente de reciclagem, a jusante e a montante referem-se a uma primeira passagem do fluido de processo.

[0090] O sistema 103A da Fig. 3A também inclui um controlador C2 configurado para aumentar ou reduzir uma taxa de fluxo da corrente de desvio de ar de combustão 50. Inúmeras variáveis de processo podem ser monitoradas para controlar a taxa de fluxo de desvio de ar de combustão, inclusive a temperatura da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32, temperatura da terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34, teor de umidade do combustível sólido seco 38 ou teor de umidade do gás de proteção úmido 42. No sistema 103A da Fig. 3A, o controlador C2 recebe um sinal elétrico indicativo da temperatura da terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34. O controlador C2 é programado para usar tal sinal para controlar uma taxa de fluxo da corrente de desvio de ar de combustão 50 por meio da válvula de preaquecedor de ar 170 e/ou da válvula de desvio de ar de combustão 180. Na prática, os controladores C1 e C2 podem ser controladores separados ou podem ser combinados em um controlador único com múltiplos ciclos de controle.

[0091] A Fig. 4 ilustra uma modalidade de um sistema 104 que é uma variação do sistema 103. No sistema 104, uma corrente de desvio de produtos de combustão 33 diverge uma porção da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32 para desviar ao redor do preaquecedor de ar 150. A porção de fluxo de desvio é controlada por uma válvula de produtos de combustão 175 que regula um fluxo da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32 e uma válvula de desvio de produtos de combustão 185 que regula um fluxo da corrente de desvio de produtos de combustão 33. Será observado que esse desvio de produtos de combustão tem o mesmo efeito que o desvio de ar de combustão ao redor do preaquecedor de ar 150 pela redução de temperatura de preaquecimento de ar e aumento da temperatura de efluentes gasosos a jusante do preaquecedor de ar 150.

[0092] A Fig. 4A ilustra uma modalidade de um sistema 104A com um controlador C3 configurado para aumentar ou reduzir a taxa de fluxo da corrente de desvio de produtos de combustão 33, e é uma variação do sistema 103A. Inúmeras propriedades podem ser monitoradas para controlar a taxa de fluxo de desvio de ar de combustão, inclusive a temperatura da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32, temperatura da terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34, teor de umidade do combustível sólido seco 38 ou teor de umidade do gás de proteção úmido 42. No sistema 104A da Fig. 4A, o controlador C3 recebe um sinal elétrico indicativo da temperatura da terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34. O controlador C3 é programado para usar tal sinal para controlar uma taxa de fluxo da corrente de desvio de produtos de combustão 33 por meio da válvula de produtos de combustão 175 e da válvula de desvio de produtos de combustão 185. Na prática, os controladores C1 e C3 podem ser controladores separados ou combinados em um controlador único com múltiplos ciclos de controle.

[0093] A Fig. 5 mostra um sistema alternativo 105 que utiliza um gás inerte tanto como um primeiro fluido de transferência de calor quanto como um gás de proteção. Um gás inerte 56 é aquecido indiretamente no aquecedor auxiliar 190 contra a terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34 para produzir uma corrente de gás inerte aquecida 58 e uma corrente de escape 36 que é mais resfriada do que a terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34. A corrente de gás inerte aquecida 58, então, é colocada diretamente em contato com o combustível sólido de alta umidade 10 no secador 160, removendo a umidade como uma corrente de gás inerte úmida 60 que deixa o secador 160 e é ventilada. O enriquecimento de oxigênio por meio da corrente enriquecida com oxigênio primária 52 e/ou da corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 pode ser opcionalmente incluído no sistema 105.

[0094] O sistema 105 poderia ser vantajoso quando uma grande quantidade de gás seco relativamente inerte está disponível a um custo razoável. Tal circunstância pode existir quando uma grande unidade de separação de ar é necessária para produzir oxigênio para ser usado na caldeira 115 ou outro uso intensivo de oxigênio e nitrogênio seco é produzido como um subproduto ou efluente gasoso.

[0095] Em contraste com o sistema 105 que inclui um fluxo de via única de gás inerte, o gás inerte poderia ser reciclado conforme mostrado na Fig. 6 como um sistema 106. A fim de reciclar a corrente de gás inerte úmida 60, o mesmo pode ser primeiro tratado em uma unidade de remoção de particulado 210, se necessário. Ademais, a água é removida da corrente de gás inerte úmida 60 em um condensador 220 antes de ser recompactada em um soprador 230 para formar a corrente de gás inerte 56. Uma corrente de constituição de gás inerte 62 pode ser introduzida em qualquer lugar ao longo do ciclo, por exemplo, antes do soprador 230 conforme mostrado na Fig. 6. O enriquecimento de oxigênio por meio da corrente enriquecida com oxigênio primária 52 e/ou da corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 pode ser opcionalmente incluído no sistema 106.

[0096] A Fig. 7 ilustra um sistema 107 que pode ser considerado uma configuração híbrida que utiliza um primeiro fluido de transferência de calor para aquecer um gás de proteção que, por sua vez, aquece, seca e protege o combustível sólido de alta umidade 10 no secador 160, então, expele umidade evaporada do secador 160. O sistema 107 inclui um ciclo de fluido térmico recirculante como no sistema 102. Entretanto, no sistema 107, o fluido térmico aquecido 44 transfere calor indiretamente por meio de um trocador de calor híbrido 240, e não para o secador 160. O trocador de calor híbrido 240, então, aquece uma corrente de gás inerte 156 para formar uma corrente de gás inerte aquecida 158. Então, como no sistema 105, a corrente de gás inerte aquecida 158 seca o combustível sólido de alta umidade 10 no secador 160 e sai do secador 160 como um gás inerte úmido 159. A configuração híbrida pode ser útil quando o secador 160 está localizado a uma distância significativa da caldeira 115, visto que, ao longo de grandes distâncias, um fluido de transferência de calor denso pode ser menos dispendioso para circular do que um gás inerte. O enriquecimento de oxigênio por meio da corrente enriquecida com oxigênio primária 52 e/ou da corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 é opcional no sistema 107.

[0097] Da mesma forma que o sistema 105 pode ser adaptado para reciclagem do gás inerte para criar o sistema 106, o sistema 107 pode ser adaptado para reciclagem do gás inerte para criar o sistema 108, como mostrado na Fig. 8. O sistema 108 introduz uma unidade de remoção de particulado opcional 211, um condensador 221 e um soprador 231 para reciclar o gás inerte. O enriquecimento de oxigênio por meio da corrente enriquecida com oxigênio primária 52 e/ou da corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 é opcional no sistema 108.

EXEMPLO 1

[0098] Um combustível contendo 50% em peso de umidade entra em um secador a uma taxa de 20.000 kg/h antes de entrar em uma caldeira. O processo dentro da caldeira exige que a umidade de combustível de entrada seja reduzida para 30% em peso antes da combustão. O calor para secagem está disponível a partir do gás efluente da caldeira a 200°C. A energia necessária para evaporar a umidade de combustível é de aproximadamente:
Qevap = (0,5 - 0,3) x 20.000 kg/h x 2250 kJ/kg x 1 h/3600 s = 2500 kW

[0099] em que o calor latente de 2250 kJ/kg é baseado em uma temperatura de evaporação de 90°C. Observa-se que esta estimativa não inclui a energia necessária para aquecer a água e o combustível sólido até 90°C. Portanto, a taxa de transferência de energia calculada será inferior à real, o que é aceitável para o propósito deste exemplo ilustrativo. Presumindo-se que o nitrogênio seco seja o gás de proteção preferencial, a taxa de fluxo de massa de N2 necessária para transferir esta energia é:
Mn2 = 2500 kW / [1,05 kJ/kg*K x 110 °C] = 21,7 kg/s ~ 77.900 kg/h = 1870 toneladas métricas/dia
que é nominalmente 20 vezes a massa de água que é evaporada (Mágua/MN2 ~ 0,05). Produzir uma quantidade tão grande de nitrogênio seco é economicamente proibitivo em muitas circunstâncias. Entretanto, visto que o nitrogênio seco a 90 °C pode reter vapor de água a uma razão de aproximadamente Mágua/MN2 ~ 1,44 à pressão atmosférica, isso indica que uma exigência de nitrogênio de apenas 67 toneladas métricas/dia seria necessária somente de uma perspectiva de transferência de massa. Consequentemente, em uma modalidade preferencial, o nitrogênio seco é usado para proteção de combustível e captura/escape de umidade evaporada, enquanto um líquido de transferência de calor como qualquer um dentre uma variedade de óleos térmicos disponíveis comercialmente seria empregado como o primeiro fluido de transferência de calor.

[00100] O Exemplo 1 mostra que, em tal modalidade, é vantajoso manter a razão de massa de água evaporada para nitrogênio, Mágua/MN2, tão alta quanto possível para minimizar a quantidade de nitrogênio (ou outro gás de proteção) necessária dentro do secador. O desafio consiste em assegurar simultaneamente que o teor de vapor de água da mistura não exceda uma umidade relativa de 100 %. Visto que a pressão de vapor de água saturado aumenta acentuadamente com a temperatura, isso implica em uma relação entre a razão da água evaporada para nitrogênio, Mágua/MN2, e a temperatura mínima de nitrogênio saindo do secador. Presumindo-se o comportamento ideal de gás, pode ser mostrado que, para uma mistura saturada de N2 e vapor de água:
Mágua/MN2 = 0,643 x P água (T) / [P secador — P água (T)] (1)
em que Págua (T) é a pressão de saturação da água como uma função de temperatura, e Psecador é a pressão operacional do secador. Presumindo-se que o secador opere nominalmente à pressão atmosférica (1,013 bar) e empregando a equação Clausius-Clapeyron para aproximar a relação de pressão de vapor de água saturado versus temperatura é possível calcular diretamente a razão de massa de vapor de água saturado para nitrogênio somente como uma função da temperatura. Os resultados de tais cálculos, plotados na Fig. 10, indicam que a razão de massa de vapor de água saturado para nitrogênio, Mágua/MN2, aumenta acentuadamente à medida que a temperatura da mistura é aumentada acima de 80°C. Portanto, é altamente preferencial, dentro desta modalidade, operar o secador com uma temperatura de saída de nitrogênio de pelo menos 80°C. Visto que as temperaturas de combustível aumentarão dentro do secador a partir da temperatura ambiente na entrada para a temperatura de combustível final saindo do secador, portanto, é necessário, dentro desta modalidade, que a temperatura de saída de secador seja de pelo menos 80°C. Para impedir a recondensação da umidade evaporada de volta para o combustível, é necessário ainda que a mistura evaporada de vapor de água / nitrogênio seja expelida do secador a uma temperatura de pelo menos 80°C. Um método preferencial de alcançar esta última condição é que a mistura de vapor de água / nitrogênio seja expelida do secador 160 em, ou próxima a uma saída de combustível do secador 160, conforme representado na Fig. 11. Tipicamente, correntes são dispostas em uma disposição contra a corrente para transferência de massa e/ou calor para maximizar a força motriz ao longo do comprimento da unidade de operação. O fluido de transferência de calor 44, 46 flui contra a corrente em relação ao combustível sólido de alta umidade 10, como seria esperado. Entretanto, para maximizar a temperatura de saída do gás de proteção úmido 42, o gás de proteção 40 pode ser fluído contra a corrente em relação ao fluido térmico recirculante aquecido 44 e a favor da corrente com o combustível sólido de alta umidade 10. O resultado líquido mostra um benefício inesperado, em que a melhor transferência de massa de umidade do combustível sólido para a corrente de gás depletada de oxigênio é quando ambos estão fluindo a favor da corrente.

EXEMPLO 2

[00101] As modalidades tanto da caldeira da técnica anterior 115 da Fig. 1 quanto do sistema 104 da Fig. 4 foram analisadas com o uso de software de modelagem de processo da Aspen disponível comercialmente. As propriedades do combustível sem modificações (isto é, o combustível de alto teor de umidade 10) são apresentadas nas análises de combustível Proximate (Aproximada) e Ultimate (Final) mostradas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. Os resultados para o sistema de linha de base que mostram a métrica de desempenho-chave são resumidos na Tabela 3. Observa-se que a razão de equivalência de combustão é usada para definir a quantidade de excesso de oxigênio usado para a combustão. A razão de equivalência é definida como a razão real de combustível para oxigênio dividida pela razão de combustível para oxigênio teoricamente necessária para queimar completamente o combustível. Portanto, um processo de combustão com razão de equivalência menor que a unidade envolve o uso de moléculas de oxigênio em excesso.

[00102] Os parâmetros de entrada variáveis no esforço de modelagem incluem uma taxa de fluxo de desvio de ar, uma temperatura de gás de entrada de aquecedor de ar, um nível de enriquecimento de oxigênio e uma taxa de fluxo de combustível, enquanto os resultados-chave compreendem uma taxa de evaporação de umidade de combustível que ocorre no secador (como representado pelo teor de umidade de combustível como queimado), eficiência de caldeira, temperatura de chama, uma taxa de fluxo de efluente gasoso e uma taxa de fluxo de vapor. Presumiu-se que a taxa de fluxo de efluente gasoso não pudesse ser aumentada acima do valor de linha de base e, para minimizar a condensação de efluente gasoso, a temperatura de pilha não pôde ser reduzida abaixo de 70 °C. Uma suposição final foi que a perda de carbono não queimado devido à ineficiência de combustão poderia ser desconsiderada. Embora este não seja o caso, especialmente com combustíveis de alta umidade, os métodos de previsão para perda de energia de carbono não queimado não são suficientemente precisos para que os resultados sejam incluídos nesta revelação. Portanto, a combustão mais completa, que se esperaria que ocorresse com a secagem de combustível, é desconsiderada no presente documento.

[00103] Quatro casos serão considerados para o Exemplo 2, distinguidos pela temperatura da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32 e o fluxo da corrente de desvio de ar de combustão 50 como uma porcentagem da corrente de ar 12. Os quatro casos são listados na Tabela 4. O caso de base, Caso 1, tem a temperatura corrente de produtos de combustão mais baixa que entra no preaquecedor de ar 150, então, nos Casos 2 a 4, o ar de combustão desvia do preaquecedor de ar 150 e, então, a temperatura da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32 aumenta para 280 e 350 °C. Efetivamente, à medida que os exemplos avançam do Caso 1 para o Caso 4, a quantidade de energia de calor disponível para o trocador de calor auxiliar aumenta, permitindo que mais do calor de combustão seja usado para secar o combustível.

[00104] A Fig. 12 representa a eficiência de caldeira como uma função de teor de umidade como queimado para o combustível sólido seco 38 para os quatro casos listados na Tabela 4. Todos os resultados correspondem a uma taxa de geração de vapor de linha de base de 59.000 kg/h, como pode ser visto na Tabela 3. Cada curva traça a eficiência para um dado caso, à medida que a temperatura do gás de escape 36 que sai do trocador de calor auxiliar 190 diminui até que atinja o limite praticável mais baixo de 70°C, abaixo do qual há muito risco de condensação. Deslocando-se para cima em cada curva, é possível pensar como aumentando a área de trocador de calor auxiliar, que tanto aumenta a quantidade de calor entregue ao secador 160 quanto reduz a umidade de combustível como queimado e aumenta a eficiência de caldeira. Seguir do Caso 1 para o Caso 4 aumenta adicionalmente o calor transferido para o secador 160, reduzindo a umidade de combustível como queimado. Deve-se notar que o modelo não leva em consideração o carbono não queimado, que seria reduzido à medida que a umidade de combustível como queimado fosse reduzida, aprimorando a eficiência. A umidade de combustível como queimado mais baixa também aprimoraria a eficiência aumentando a temperatura na seção radiante 120 da caldeira 115, o que também não é considerado no modelo.

[00105] A Fig. 13 representa a temperatura de chama versus umidade de combustível como queimado para os mesmos quatro casos. O aumento drástico na temperatura de chama com a redução da umidade de combustível é benéfico por dois motivos distintos. Primeiro, as temperaturas superiores aumentam a taxa de transferência de calor de radiação da chama para os tubos de água da caldeira na seção radiante da caldeira, reduzindo, assim, a área de superfície necessária para gerar a mesma quantidade de vapor. Em segundo lugar, a temperatura superior de chama aumenta a taxa de reações químicas, minimizando as perdas de carbono não queimado. Observa-se que as curvas dos Casos 2, 3 e 4 colapsam para formar uma única curva de temperatura que é ligeiramente inferior à curva do Caso 1. Isso se deve ao fato de que o Caso 1 é o único caso em que a corrente de ar de combustão 14 é preaquecida; todos os outros casos utilizam o ar de combustão de temperatura ambiente. Portanto, a temperatura de chama para o Caso 1 é moderadamente superior para um dado nível de umidade de combustível como queimado do que os outros 3 casos.

[00106] A Fig. 14 representa a taxa de fluxo de efluente gasoso versus o teor de umidade como queimado, novamente para os mesmos quatro casos. Observa-se a redução acentuada no fluxo de efluente gasoso com umidade de combustível decrescente. Este grande efeito ocorre por dois motivos; um é a redução no teor de umidade de efluente gasoso e o outro é o aumento simultâneo na eficiência de caldeira, que reduz a taxa de fluxo de combustível necessária. Visto que uma caldeira é idealmente projetada para manusear um volume de efluente gasoso fixo devido às restrições incluindo trocadores de calor, queda de pressão e equipamento de controle de poluição, esta grande redução no volume de efluente gasoso pode ser compensada em uma dentre duas formas. A primeira opção seria reduzir o tamanho da caldeira para uma taxa de geração de vapor fixa, e a segunda seria manter o mesmo tamanho de caldeira e a mesma taxa de fluxo de efluente gasoso de linha de base enquanto aumenta o fluxo de combustível e/ou a entrada de energia térmica para aumentar a taxa de geração de vapor.

[00107] A Fig. 15 ilustra a segunda opção, em que, para um dado tamanho de caldeira, a taxa de fluxo de vapor é representada como uma função de nível de umidade de combustível como queimado. O aumento no vapor de produto à medida que o grau de secagem aumenta ilustra o valor da presente invenção, em que usar energia térmica para secar o combustível sólido de alta umidade em vez de usar a mesma para preaquecer o ar de combustão ou para aquecer a água no economizador aumenta a produção de vapor para um dado tamanho de caldeira. Sendo o Caso 4 a melhor opção, é inesperado quando, como pode ser visto na Fig. 12, o Caso 1 resulta na eficiência de caldeira mais alta e, como pode ser visto na Fig. 13, o Caso 1 traça uma temperatura superior de chama para um dado nível de umidade de combustível como queimado.

EXEMPLO 3

[00108] A introdução de oxigênio no sistema de combustão expande adicionalmente os benefícios de desempenho de caldeira destacados no Exemplo 2. Usar ar de combustão enriquecido com oxigênio enquanto mantém a mesma razão de equivalência de combustão do caso de linha de base leva a uma temperatura superior de chama e taxas de cinética química mais rápidas, resultando em taxas superiores de transferência de calor radiante e eficiência de combustão superior com menores perdas de carbono não queimado. Ademais, a redução de nitrogênio no ar de combustão reduz a taxa de fluxo de produtos de combustão que, por sua vez, aumenta adicionalmente a taxa de geração de vapor da caldeira, como explicado anteriormente. Visto que as perdas de carbono não queimado não são consideradas no modelo, o aprimoramento na eficiência de caldeira devido ao enriquecimento de oxigênio calculado pelo modelo e representado na Fig. 16 é somente uma função da taxa de fluxo reduzida de produtos de combustão e, portanto, é subprevisto. Observa-se que o nível de enriquecimento de oxigênio, no presente documento, é definido como a diferença na concentração de oxigênio volumétrica (ou molar) da mistura da corrente de ar de combustão 12, da corrente enriquecida com oxigênio primária 52 e da corrente enriquecida com oxigênio secundária 54 menos a concentração de oxigênio ambiente de 20,9 %. Portanto, por exemplo, um nível de enriquecimento de oxigênio de uma porcentagem corresponde a uma concentração de oxidante misturado de nominalmente 21,9 % em volume.

[00109] Em princípio, a concentração de oxigênio selecionada para o sistema de combustão pode ser escolhida independentemente de outras considerações de equipamento dentro dos sistemas gerais descritos no presente documento. Entretanto, em uma modalidade preferencial, os fornecimentos de oxigênio e nitrogênio para o sistema são produzidos por uma única unidade de separação de ar. Desse modo, a taxa de fluxo de enriquecimento de oxigênio é acoplada à taxa de fluxo de nitrogênio usada dentro do secador de combustível.

[00110] O Exemplo 3 supõe as mesmas propriedades de carvão sem modificações das Tabelas 1 e 2, e os casos análogos ao Exemplo 2, e considera uma temperatura de secador de 95 °C e uma taxa máxima de evaporação de umidade de combustível de 8500 kg/h. A partir da Fig. 10, a razão de água evaporada para nitrogênio é de aproximadamente 3,3. Portanto, a taxa de fluxo de nitrogênio selecionada para o sistema é de 8500/3,3 ~ 2575 kg/h. Consequentemente, a taxa de fluxo de oxigênio tipicamente seria entre cerca de 770 a 1290 kg/h, e o nível de enriquecimento de oxigênio correspondente do ar entre cerca de 1,0 e 1,5 % em volume. Selecionar um nível de enriquecimento de 1,3 %, que é nessa faixa, Figs. 17, 18 e 19 resumem, respectivamente, as previsões do modelo da temperatura de chama, taxa de fluxo de efluente gasoso e temperatura de vapor aumentada versus umidade de combustível como queimado. Comparando a Fig. 17 com a Fig. 13, o nível de enriquecimento de oxigênio de 1,3% aumentou a temperatura de chama em 50°C além daquela obtida com a secagem. Na prática, isso levaria a um aumento incremental na transferência de calor radiante da caldeira e redução na perda de carbono não queimado. Comparar a Fig. 18 com a Fig. 14 indica uma redução incremental no volume de efluente gasoso de 4000-5000 kg/h devido ao enriquecimento de oxigênio na taxa de geração de vapor de linha de base de 59.000 kg/h. Por fim, compensando este volume reduzido de efluente gasoso por unidade de fluxo de combustível para gerar mais vapor, a Fig. 19 revela uma taxa de geração de vapor incremental de nominalmente 2500 kg/h superior àquela produzida sem o oxigênio, conforme mostrado na Fig. 15.

[00111] Um recurso e benefício finais dos sistemas descritos no presente documento consiste na capacidade de adaptar continuamente o desempenho do sistema às variações nas propriedades de combustível de entrada. Por exemplo, as alterações no teor de umidade de combustível sem modificações ou valor de aquecimento podem exigir ajuste do grau de secagem de combustível. Ou, uma alteração nas propriedades de cinzas de combustível pode sugerir a necessidade de reduzir ou aumentar a temperatura de chama. Será prontamente observado com base na descrição e análises do sistema supracitadas que a operação de caldeira ideal em resposta a estas e outras alterações nas propriedades de combustível são possibilitadas pelo ajuste do desvio do aquecedor de ar e/ou nível de enriquecimento de oxigênio. Para esta finalidade, a resposta de sistema apropriada às variações de propriedade de combustível pode exigir a instrumentação de medição associada que inclui um ou mais dos seguintes parâmetros de desempenho: nível de umidade de combustível do combustível sólido de alta umidade 10, nível de umidade de combustível do combustível sólido seco 38, temperatura da grelha de caldeira 110 (quando a caldeira é uma caldeira de fornalha) e temperatura(s) da corrente de produtos de combustão 20, da primeira corrente de produtos de combustão resfriada 26, da segunda corrente de produtos de combustão resfriada 32, da terceira corrente de produtos de combustão resfriada 34, assim como a temperatura de vapor e pressão de vapor.

[00112] A saída de um ou mais destes instrumentos pode ser conectada a um ciclo de controle para ajustar automaticamente a posição do registro de aquecedor de ar e/ou a taxa de fluxo de oxigênio até que um valor de ponto definido seja alcançado, similar aos ciclos de controle mostrados nos sistemas 103A e 104A.

[00113] Embora os princípios da invenção tenham sido descritos acima em combinação com modalidades preferenciais, deve ser claramente entendido que esta descrição é feita apenas a título de exemplificação e não como uma limitação do escopo da invenção.

Claims

Processo para queimar um combustível de alta umidade para gerar vapor, caracterizado pelo fato de que compreende:
colocar um combustível sólido de alta umidade em contato com uma corrente de gás depletada de oxigênio enquanto aquece o combustível sólido de alta umidade por troca de calor indireta com um fluido térmico recirculante para produzir um combustível sólido seco e uma corrente de gás depletada de oxigênio úmida;
queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão que tem uma quantidade de calor;
transferir uma primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão;
transferir uma segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão;
transferir uma terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão; e
desviar uma, ou tanto uma porção da corrente de ar de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão quanto uma porção da corrente de produtos de combustão para evitar a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível sólido de alta umidade flui contra a corrente em relação ao fluido térmico recirculante e a favor da corrente em relação à corrente de gás depletada de oxigênio.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da corrente de gás depletada de oxigênio úmida é maior que 80°C.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda adicionar uma corrente enriquecida com oxigênio à corrente de ar de combustão antes de queimar o combustível sólido seco; e
controlar uma, ou tanto uma taxa de fluxo da corrente enriquecida com oxigênio quanto uma localização da adição da corrente enriquecida com oxigênio para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura de vapor, pressão de vapor, nível de tambor de vapor, temperatura de grelha de fornalha, temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a primeira porção da quantidade de calor para gerar vapor, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para preaquecer o ar de combustão, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a terceira porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de gás depletada de oxigênio úmida, temperatura do combustível sólido seco, nível de umidade do combustível sólido de alta umidade e nível de umidade do combustível sólido seco.
Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a corrente enriquecida com oxigênio e a corrente depletada de oxigênio são ambas produzidas pela mesma unidade de separação de ar.
Processo, de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que, ao desviar uma porção da corrente de ar de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produtos de combustão antes de transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produtos de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente de gás depletada de oxigênio após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade; e
em que, ao desviar uma porção da corrente de produtos de combustão, aumenta ou reduz a quantidade da porção da corrente de produtos de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão para controlar uma ou mais das seguintes propriedades: temperatura da corrente de produto de combustão antes de transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, temperatura da corrente de produto de combustão após transferir a segunda porção da quantidade de calor para o fluido térmico recirculante, teor de umidade do combustível sólido seco ou teor de umidade da corrente depletada de oxigênio após entrar em contato com o combustível sólido de alta umidade.
Aparelho para gerar vapor caracterizado pelo fato de que compreende:
um secador configurado e disposto para criar contato entre um combustível sólido de alta umidade e uma corrente de gás depletada de oxigênio e para produzir um combustível sólido seco;
um sistema de ar de combustão que tem uma entrada de ar para receber ar e uma saída de ar de combustão para descarregar a corrente de ar de combustão;
uma caldeira que compreende uma seção radiante, uma seção convectiva e uma seção de recuperação de energia,
sendo a seção radiante configurada e disposta para receber o combustível sólido seco do secador e a corrente de ar de combustão do sistema de ar de combustão, e para queimar o combustível sólido seco com uma corrente de ar de combustão para produzir uma corrente de produtos de combustão e uma quantidade de calor, em que a seção radiante tem uma primeira porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão abaixo de uma localização de alimentação do combustível sólido seco,
em que a seção convectiva tem um trocador de calor auxiliar em comunicação de fluxo de fluido com a seção radiante para aquecer água por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão para produzir vapor, e
em que a seção de recuperação de energia inclui um preaquecedor de ar para preaquecer a corrente de ar de combustão por troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão, e um trocador de calor auxiliar para aquecer um primeiro fluido de transferência de calor,
um ou ambos dentre um conduto de desvio de ar de combustão que inclui uma válvula de controle de desvio de ar de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de ar de combustão ao redor do preaquecedor de ar e um conduto de desvio de produtos de combustão que inclui uma válvula de desvio de produtos de combustão para possibilitar o desvio controlado de uma porção da corrente de produto de combustão ao redor do preaquecedor de ar.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o secador tem uma seção de entrada e uma seção de saída, em que a seção de entrada inclui uma entrada de combustível sólido de alta umidade, uma entrada de corrente depletada de oxigênio e uma saída de fluido térmico recirculante; em que a seção de saída inclui uma saída de combustível sólido de alta umidade, uma saída de corrente depletada de oxigênio e uma entrada de fluido térmico recirculante.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sistema de ar de combustão tem ainda uma entrada de oxigênio para receber oxigênio e uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para possibilitar o enriquecimento controlado de oxigênio da corrente de ar de combustão a montante da saída de ar de combustão.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de:
temperatura de vapor, pressão de vapor, umidade na entrada de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de combustível sólido de alta umidade e umidade na saída de corrente depletada de oxigênio; e
um ciclo de controle de oxigênio programado para controlar a uma ou mais válvulas de controle de oxigênio para aumentar ou reduzir o enriquecimento de oxigênio da corrente de ar de combustão com base no sinal do um ou mais dentre os sensores.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
um ou mais sensores, cada um configurado e disposto para fornecer um sinal indicativo de uma variável de processo selecionada a partir de: umidade na saída de combustível sólido de alta umidade, umidade na saída de corrente depletada de oxigênio, sensor de temperatura da corrente de produtos de combustão na seção radiante, e temperatura da corrente de produtos de combustão na seção convectiva; e
quando o aparelho inclui um conduto de desvio de ar de combustão, um ciclo de controle de desvio de ar de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de ar de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de ar de combustão desviando da troca de calor indireta com a corrente de produtos de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores e, quando o aparelho inclui, um conduto de desvio de produtos de combustão, um ciclo de controle de desvio de produtos de combustão programado para controlar a válvula de controle de desvio de produtos de combustão para aumentar ou reduzir a porção da corrente de produtos de combustão desviando a troca de calor indireta com a corrente de ar de combustão com base no sinal de um ou mais dos sensores.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a seção radiante tem ainda uma segunda porta para introduzir pelo menos uma porção da corrente de ar de combustão acima da localização de alimentação do combustível sólido seco.