BR112018076182B1 - Processo e instalação de recuperação de energia térmica em um forno com longarinas tubulares e de conversão dessa última em eletricidade por meio de uma turbina que produz eletricidade pela execução de um ciclo de rankine - Google Patents

Abstract

Processo e instalação de recuperação de energia implantada em um forno de reaquecimento (2) com longarinas tubulares equipado com queimadores que compreende uma turbina (14) que produz eletricidade pela execução de um ciclo de Rankine em um fluido orgânico (21) a partir de calorias que provêm em parte do fluido utilizado para o resfriamento das longarinas tubulares por meio de um primeiro circuito intermediário e em parte de fumaças de combustão dos queimadores por meio de um segundo circuito intermediário

Description

[0001] A invenção se refere ao domínio da recuperação de energia térmica que provém de fornos com longarinas tubulares e a sua conversão em eletricidade por meio de uma turbina com ciclo de expansão que utiliza um outro fluido diferente do vapor de água.

[0002] A invenção se refere notadamente aos fornos de reaquecimento siderúrgicos destinados a reaquecer produtos, notadamente placas, blocos, lingotes quadrados, que funcionam a uma temperatura adequada para a laminação a quente dos mesmos, e mais especialmente aos fornos com longarinas móveis. Um forno de reaquecimento permite levar os produtos a temperaturas elevadas, por exemplo a uma temperatura de cerca de 1200°C para um aço ao carbono. O aquecimento do forno é comumente realizado por queimadores alimentados com ar preaquecido e com combustível e que funcionam com leve excesso de ar.

[0003] EP0971192 descreve um exemplo de forno com longarinas equipado com longarinas fixas, e com longarinas móveis. Os produtos são depositados sobre longarinas e são aquecidos por queimadores dispostos acima e embaixo dos produtos. As longarinas são constituídas por trasfogueiros e quilhas resfriados. As longarinas móveis permitem o transporte dos produtos dentro do forno seguindo para isso um ciclo que compreende uma primeira fase de subida pelas longarinas móveis, a partir de uma posição inicial, que permite levantar os produtos. A primeira fase é seguida por uma segunda fase de transporte horizontal pelas longarinas móveis e depois por uma terceira fase de colocação dos produtos sobre as longarinas fixas. Os produtos são assim deslocados de um passo sobre as longarinas fixas antes da quarta fase de retorno para trás das longarinas móveis para a posição inicial das mesmas. Os trasfogueiros das longarinas fixas são levados por quilhas solidárias da soleira do forno. Os trasfogueiros das longarinas móveis são levados por quilhas que atravessam a soleira do forno e fixados, sob o forno, sobre um chassi de translação. O chassi de translação repousa sobre uma mecânica que assegura o ciclo retangular pelo deslocamento horizontal e vertical do conjunto chassis, quilhas e trasfogueiros das longarinas móveis.

[0004] A estrutura das longarinas é realizada por tubos ou perfilados vazados que são resfriados por um fluido de transferência de calor em circulação, que é tradicionalmente água em baixa temperatura e baixa pressão, por exemplo 30 a 55°C e 5 bars. A quantidade de energia evacuada por unidade de tempo pelo fluido de transferência de calor é grande a fim de limitar a temperatura e de que se tenha uma resistência mecânica suficiente da estrutura das longarinas. A potência evacuada é por exemplo de 10 MWth para um forno de uma capacidade de 450 t/h. A água quente recuperada na saída das longarinas pode então ser utilizada na usina, por exemplo para um uso sanitário, o aquecimento de prédios, ou processos para os quais temperaturas relativamente baixas são necessárias. É conhecido que é possível substituir a água em baixa temperatura e baixa pressão que resfria as longarinas por água superaquecida em alta pressão, água essa que se transforma parcialmente em vapor saturado nos trasfogueiros. O vapor obtido pode ser utilizado na usina para diferentes necessidades. O resfriamento da estrutura das longarinas por uma mistura água e vapor saturado é vantajoso, notadamente porque ele permite assegurar o funcionamento da estrutura das longarinas a uma temperatura estável. De fato, a mudança de estado da fase líquida para a fase vapor sendo feita a uma temperatura substancialmente constante, a temperatura de saída do fluido de resfriamento das longarinas é constante, qualquer que seja o regime de funcionamento do forno, só a quantidade de água que passa em fase vapor evoluindo. A temperatura de saída do fluido de resfriamento é, por exemplo, de 215°C para uma pressão do fluido de 21 bars absolutos.

[0005] Um recuperador de calor é tradicionalmente disposto dentro de um conduto de gases de combustão do forno. Ele permite uma recuperação de energia nesses gases pelo preaquecimento do ar de combustão dos queimadores e às vezes do combustível. À jusante desse recuperador, a temperatura dos gases é ainda relativamente elevada, por exemplo de 300°C. É conhecido acrescentar outros trocadores de calor, ou uma caldeira de recuperação, dentro dos condutos de fumaça para esgotar ainda mais os gases. No caso em que o resfriamento da estrutura de longarinas é realizado por água superaquecida com produção de vapor, pode por exemplo se tratar de um economizador de água sobreaquecida ou de um sobreaquecedor de vapor.

[0006] Os fornos de reaquecimento siderúrgicos funcionam de modo contínuo e têm capacidades de produção importantes, por exemplo de 450 t/h. O regime de funcionamento dos mesmos varia frequentemente, notadamente de acordo com a natureza e a temperatura dos produtos enfornados e o ritmo do forno. Daí resulta que o volume dos gases de combustão varia também frequentemente, esse último sendo substancialmente proporcional à tonelagem horária dos produtos reaquecidos dentro do forno. As mudanças da vazão de gases são acompanhadas também por uma variação de temperatura dos ditos gases. Essas flutuações na temperatura dos gases levam a uma variação grande dos desempenhos dos trocadores dispostos dentro dos condutos de fumaça ou das caldeiras de recuperação. Em tonelagem reduzida, a temperatura dos gases não permite mais valorizar a energia residual dos gases em vapor.

[0007] Os produtos a reaquecer dentro do forno devendo sempre ser aquecidos na temperatura de laminação, e essa última sendo relativamente constante, a temperatura das paredes do forno varia pouco. As perdas térmicas pelas longarinas flutuando pouco, a geração de vapor por um sistema de resfriamento da estrutura das longarinas é menos dependente da tonelagem horária do forno.

[0008] As energias térmicas contidas nos gases e no fluido de resfriamento das longarinas representam cada uma delas cerca de 10 MWth em um forno de 450 t/h com temperaturas respectivamente da ordem de 300°C e 200°C. A utilização de um ciclo água-vapor para a produção de eletricidade a partir dessas energias é difícil de executar e não é economicamente rentável a partir desses níveis de temperaturas e de potência térmica, assim como essas amplitudes de variações de potência.

[0009] KR20140036363 descreve uma solução de recuperação de energia em um forno de reaquecimento siderúrgico que permite valorizar as perdas energéticas do forno contidas nos gases e no sistema de resfriamento das longarinas, explorando para isso essas últimas em uma instalação comum de produção de eletricidade, ao mesmo tempo em que se livra das problemáticas de variabilidades dessas últimas. Ela emprega uma instalação de geração de eletricidade com um ciclo termodinâmico de Rankine que utiliza um fluido orgânico como fluido de trabalho. Uma máquina com ciclo orgânico de Rankine, dita “ORC” para o acrônimo dos termos ingleses Organic Rankine Cycle, permite converter calor de média ou baixa temperatura em eletricidade, graças à utilização de um fluido de trabalho orgânico de densidade superior a aquela da água. Na máquina ORC, o fluido de trabalho no estado líquido é comprimido e depois vaporizado. O vapor de fluido orgânico é em seguida expandido antes de ser condensado. A máquina compreende notadamente um evaporador, uma turbina de expansão, um condensador e uma bomba de sobrepressão. A turbina de expansão é por exemplo de tipo radial ou axial, com um ou dois estágios, cuja rotação aciona um alternador que produz a eletricidade.

[0010] O fluido orgânico tem uma baixa temperatura de ebulição, por exemplo inferior a 50°C na pressão atmosférica, e é de tipo umectante, quer dizer que não é necessário sobreaquecer o vapor desse fluido depois de evaporação para evitar criar gotículas dentro da turbina por ocasião da expansão. Esse tipo de fluido pode assim permitir, apesar de uma baixa temperatura da fonte quente, extrair um máximo de trabalho dentro da turbina e assim ter um melhor rendimento do que um ciclo com vapor de água em temperaturas baixas, por exemplo, inferiores a 350°C.

[0011] Assim a escolha da tecnologia ORC, dentre os diferentes ciclos termodinâmicos que permitem produzir eletricidade, permite obter um melhor rendimento de máquina termodinâmica, quer dizer a relação entre a energia térmica disponível e eletricidade final produzida.

[0012] As calorias necessárias para a vaporização do fluido orgânico da máquina ORC são trazidas pela energia recuperada no forno de reaquecimento, em parte no fluido de resfriamento das longarinas e em parte nos gases de combustão.

[0013] Na solução divulgada por KR20140036363, o fluido de resfriamento dos trasfogueiros e quilhas é uma mistura de sais fundidos. Essa mistura é por exemplo composta, em massa, por 52 % de KNO3, 18 % de NaNO3 e 30 % de LiNO3. Para manter esses sais fundidos dentro da faixa de temperaturas exigidas para um bom funcionamento do forno, e notadamente para a manutenção dos mesmos em fase líquida, a instalação compreende um circuito de recirculação 40 com equipamentos complementares o que torna a instalação mais custosa e relativamente complexa a explorar em relação a uma solução na qual o fluido de resfriamento é água ou uma mistura água/vapor. Calorias dos sais fundidos são transmitidas ao fluido orgânico da ORC por meio de um trocador 21. Em caso de deterioração desse trocador, os sais fundidos podem vir em contato com o fluido orgânico da ORC o que representa um risco para a instalação. Além disso, essa solução não permite modular o aporte calorífico dos sais fundidos para o fluido orgânico da ORC. Em caso de paralisação da ORC, o aporte contínuo de calorias pelos sais fundidos pode levar a uma elevação muito grande da temperatura do fluido orgânico, daí um risco para a instalação.

[0014] Por outro lado, KR20140036363 descreve uma solução na qual uma parte dos gases troca diretamente calorias com o fluido orgânico da ORC por meio de um trocador 51. Em caso de deterioração desse trocador, há um risco de incêndio se o fluido orgânico da ORC vem em contato com os gases.

[0015] O estado da técnica não permite, portanto, uma dupla recuperação de energia nos gases do forno de reaquecimento e no fluido de resfriamento dos trasfogueiros e quilhas em condições que permitem um desempenho energético ótimo, uma flexibilidade de regulação do funcionamento da ORC e condições de exploração seguras.

[0016] Esse objetivo é atingido com, de acordo com um primeiro aspecto da invenção, um processo de recuperação de energia de uma instalação de recuperação de energia, própria para ser ligada a pelo menos um forno de reaquecimento com longarinas equipado com queimadores, o dito forno de reaquecimento compreendendo um sistema de resfriamento das ditas longarinas, no qual circula água, essa última estando no estado líquido na entrada das longarinas e no estado mistura líquido/vapor na saída das longarinas, a dita mistura sendo separada à jusante das longarinas em água líquida de um lado e vapor do outro, o vapor cedendo diretamente ou indiretamente calorias a um primeiro circuito de recirculação intermediário, e por outro lado um sistema um sistema de recuperação de energia que permite absorver uma parte das calorias do circuito de gases evacuadas pelo forno, as ditas calorias sendo cedidas a um segundo circuito de recirculação intermediário, os ditos primeiro e segundo circuitos de recirculação intermediários cedendo diretamente ou indiretamente calorias a um circuito de fluido orgânico disposto de maneira a alimentar uma turbina que produz eletricidade pela utilização de um ciclo de Rankine orgânico.

[0017] Em uma configuração na qual o resfriamento dos trasfogueiros e quilhas é realizado por água e uma mistura água/vapor, a condensação dos vapores dentro do trocador permite uma transferência importante de calorias entre o vapor e o fluido orgânico da ORC.

[0018] De acordo com a invenção, as calorias que provêm do vapor e aquelas que provêm do circuito de gases são cedidas de maneira indireta ao fluido orgânico da ORC, por intermédio de um primeiro circuito de recirculação intermediário disposto entre um circuito que compreende o vapor e o fluido orgânico, respectivamente por intermédio de um segundo circuito de recirculação intermediário disposto entre o circuito dos gases e o fluido orgânico.

[0019] O circuito de vapor é isolado do fluido orgânico por pelo menos dois equipamentos, por exemplo dois trocadores.

[0020] O circuito dos gases é isolado do fluido orgânico por pelo menos dois equipamentos, por exemplo dois trocadores.

[0021] Assim, de acordo com a invenção, as calorias que provêm do vapor são primeiro cedidas a um primeiro circuito de recirculação intermediário antes de ser cedidas ao fluido orgânico empregado no ciclo de Rankine. Por consequência, ainda que o vapor apresente uma pressão bastante elevada em relação a aquela do fluido orgânico, não há risco grande de explosão se o trocador se fura, mesmo se o fluido orgânico da ORC é com muita frequência um hidrocarboneto ou um fluido frigorígeno inflamável, pois o vapor não pode vir em contato com o dito fluido orgânico.

[0022] Por outro lado, de acordo com a invenção, as calorias que provêm dos gases são primeiro cedidas a um segundo circuito de recirculação intermediário antes de ser cedidas ao fluido orgânico utilizado no ciclo de Rankine. Por consequência, não há troca possível entre o fluido orgânico utilizado no ciclo de Rankine e os gases, o que evita um risco de incêndio que está presente na arte anterior.

[0023] O processo de acordo com a invenção apresenta, portanto, mais segurança do que aquele de acordo com a arte anterior.

[0024] A combinação das duas fontes de energia que provém dos gases e do sistema de resfriamento permite por um lado que se possa aumentar a produção de eletricidade global anual e por outro lado que se possa limitar o investimento. De fato, essa combinação permite obter uma maior quantidade de energia explorável em uma só máquina ORC de grande capacidade (com um melhor rendimento e menos custosa), do que se as duas fontes de calor estivessem exploradas separadamente por duas máquinas ORC de menor capacidade (com menor rendimento e proporcionalmente mais caras).

[0025] Por outro lado, a combinação das duas fontes de energia que provém dos gases e do sistema de resfriamento pode permitir estabilizar o aporte energético fornecido à máquina ORC. A combinação das duas fontes de energia que provém dos gases e do sistema de resfriamento pode permitir fazer a máquina ORC funcionar com mais frequência dentro de sua faixa de funcionamento ótima.

[0026] O dimensionamento da máquina ORC permite limitar o montante do investimento e, portanto, o tempo necessário para o retorno do investimento, aumentando assim o interesse econômico de sua utilização. Por ocasião de sua concepção, um forno de reaquecimento é dimensionado para uma capacidade de produção nominal que corresponde ao aquecimento de um número de toneladas por hora de um produto de referência de uma temperatura inicial a uma temperatura de desenfornamento. Por experiência, em exploração, o forno funciona em média a cerca de 70 % de sua capacidade nominal.

[0027] Por outro lado, uma máquina ORC funciona corretamente em uma ampla faixa de variações da fonte de calor, a potência térmica que entra podendo geralmente variar entre 30 % e 100 %. O rendimento máximo da máquina ORC é obtido para a potência máxima de dimensionamento e ele diminui com a potência térmica que entra. Uma máquina ORC deve ser paralisada quando o aporte em calorias ao fluido orgânico da máquina ORC é inferior a um limite mínimo geralmente compreendido entre 20 e 30 % da capacidade máxima admitida pela máquina ORC.

[0028] Combinando para isso as duas fontes de energia térmica, a invenção permite, graças à estabilidade e à capacidade da fonte de calor que provém do sistema de resfriamento das longarinas, nunca ser inferior a 30 % da carga térmica. Assim a máquina ORC está sempre em funcionamento, exceto em caso de paralisação da instalação, e não necessita de regulação complexa.

[0029] De acordo com um outro aspecto da invenção, é proposta uma instalação de recuperação de energia própria para ser ligada a pelo menos um forno de reaquecimento com longarinas equipado com queimadores, o dito forno de reaquecimento compreendendo um sistema de resfriamento das ditas longarinas, no qual circula água, essa última estando no estado líquido na entrada das longarinas e no estado mistura líquido/vapor na saída das longarinas, a dita mistura sendo separada à jusante das longarinas em água líquida de um lado e vapor do outro, a dita instalação compreendendo uma turbina disposta para produzir eletricidade pela execução de um ciclo de Rankine em um fluido orgânico, a dita instalação compreendendo por outro lado pelo menos trocadores de calor funcionalmente dispostos de maneira a transferir ao dito fluido orgânico, pelo menos uma parte das calorias contidas em gases de combustão dos queimadores, via um fluido de transferência de calor, e pelo menos uma parte das calorias contidas no vapor, via um fluido de transferência de calor.

[0030] De acordo com uma possibilidade da instalação, pelo menos um forno de reaquecimento pode compreender um trocador de calor que é disposto dentro de um conduto de evacuação de gases de combustão do dito pelo menos um forno de reaquecimento para coletar calorias que provêm dos ditos gases de combustão e as transmitir ao fluido de transferência de calor que circula dentro do dito trocador de calor.

[0031] O trocador colocado dentro do conduto de evacuação dos gases de acordo com a invenção pode ser eventualmente disposto à jusante no sentido de escoamento dos gases de outros equipamentos de recuperação de energia nos gases. Os outros equipamentos de recuperação de energia podem ser, por exemplo, um recuperador de preaquecimento do ar de combustão dos queimadores.

[0032] De acordo com um dos aspectos da invenção, a instalação compreende um primeiro trocador de calor funcionalmente disposto de maneira a transferir diretamente ou indiretamente energia do valor a um fluido intermediário de transferência de calor, e um segundo trocador de calor disposto de maneira a transferir energia térmica do dito fluido intermediário de transferência de calor ao fluido orgânico da máquina ORC.

[0033] De acordo com a invenção, o fluido intermediário de transferência de calor pode ser um fluido orgânico no estado líquido, nas condições de sua utilização, por exemplo um óleo térmico. Vantajosamente, o fluido intermediário de transferência de calor é não inflamável na temperatura na qual ele é utilizado, sua temperatura de inflamação sendo substancialmente superior a aquela do fluido orgânico da ORC.

[0034] Essa configuração permite melhorar a robustez do equipamento limitando para isso as variações bruscas de temperaturas de troca com o fluido orgânico da ORC em caso de paralisação do forno graças à capacidade de acumulador de energia da massa de fluido intermediário. Ela permite por outro lado melhorar a segurança do sistema de troca com o trocador de calorias que provêm do vapor controlando para isso localmente os comportamentos dessa troca sem perturbar o circuito que alimenta o trocador ORC. O vapor estando a uma pressão substancialmente mais elevada do que aquela do fluido intermediário (cerca de 20 bars no lado do vapor para cerca de 4 a 7 bars no lado do fluido intermediário), em caso de perfuração do trocador, o escoamento de fluido se faria do circuito de vapor para o circuito de fluido intermediário evitando assim que o fluido intermediário se espalhe dentro dos trasfogueiros e quilhas.

[0035] Por outro lado, a presença de um circuito intermediário entre o circuito de vapor e o circuito da ORC, permite evitar que vapor entre em contato com o fluido orgânico da ORC, o dito contato podendo ser fonte de explosão.

[0036] Essa solução permite também a utilização de um trocador de tecnologia robusta para a troca entre o fluido intermediário e o fluido orgânico da ORC, os dois fluidos tendo propriedades similares. Ela permite assim reforçar a segurança de funcionamento da máquina ORC em caso de problema no circuito de vapor de resfriamento das longarinas.

[0037] Para reforçar ainda mais a segurança da instalação, m circuito intermediário suplementar pode ser acrescentado entre o vapor e o fluido intermediário descrito precedentemente.

[0038] Uma utilização de um fluido orgânico intermediário para recuperar calorias que provêm dos gases de combustão que permanece no estado líquido, quaisquer que sejam as flutuações de temperatura e de volume dos gases de combustão dentro do conduto, tem como vantagem facilitar bastante a exploração da instalação em relação à utilização de uma caldeira de recuperação na qual uma mudança de fase dentro do trocador se opera a pressão mais alta.

[0039] Vantajosamente de acordo com a invenção, uma regulação do aporte de calorias à máquina ORC pode ser realizada no circuito de gases, por meio de um contorno parcial do trocador de esgotamento de gases de combustão colocado dentro do conduto ou uma diluição dos gases com ar frio para baixar a temperatura das mesmas. Devido ao dimensionamento da ORC para um funcionamento do forno a 70 % de sua capacidade nominal, se o aporte calorífico à máquina ORC se torna grande demais, uma parte dos gases contorna o trocador do circuito de esgotamento de gases de combustão ou então os gases serão diluídos sem que isso interfira no funcionamento do forno.

[0040] O fluido de transferência de calor utilizado para coletar calorias que provêm dos gases de combustão e aquele utilizado indiretamente para coletar calorias que provêm dos trasfogueiros e quilhas podem ser de mesma natureza. Mas esse método permite também utilizar fluidos portadores de calor de propriedades diferentes. Isso pode permitir otimizar a recuperação de energia com fluidos utilizados a níveis de temperaturas diferentes e reforçar a segurança da instalação escolhendo para isso fluidos que minimizam os riscos de incêndio ou de explosão em caso de contato entre os gases ou o vapor e esses fluidos.

[0041] Em variante de realização, a adição de uma estocagem de energia nos circuitos intermediários permite melhorar a eficácia do conjunto sem perturbar o circuito de troca principal na direção da ORC.

[0042] Vantajosamente, o funcionamento do sistema de resfriamento das longarinas por não ser modificado pela presença da máquina ORC. O comando da instalação pode assim ser simplificado.

[0043] A potência calorífica transmitida a um fluido térmico utilizado no circuito de esgotamento dos gases pode ser diretamente determinada pela elevação de temperatura do dito fluido dentro de um trocador do circuito de esgotamento dos gases de combustão.

[0044] Em caso de paralisação da máquina ORC, um contorno dos gases disposto no circuito dos gases pode permitir evitar o aquecimento do fluido térmico utilizado no circuito de esgotamento dos gases. Um outro método consiste em utilizar um fluido de transferência de calor que funciona em temperatura mais alta no circuito intermediário e/ou em diminuir a temperatura dos gases diluindo para isso as mesmas, por exemplo com uma entrada de ar à montante do recuperador colocado no conduto de gases. Aerorrefrigerantes podem por outro lado ser dispostos no circuito de água superaquecida/vapor de modo a evacuar calorias que provêm das longarinas.

[0045] Vantajosamente de acordo com a invenção, a máquina ORC é dimensionada de acordo com o regime de funcionamento médio do forno de reaquecimento e não de acordo com a capacidade nominal do forno. Isso apresenta uma dupla vantagem: a máquina ORC sendo menor, o montante do investimento pode ser reduzido, e a máquina ORC pode funcionar um máximo do tempo em um ponto ótimo (rendimento máximo) produzindo, portanto, um máximo de eletricidade para um retorno do investimento mais rápido.

[0046] A instalação de acordo com a invenção pode por outro lado compreender um outro trocador de calor funcionalmente disposto de modo a transferir energia térmica de pelo menos uma outra fonte para o fluido orgânico.

[0047] De acordo com um outro aspecto da invenção, é proposto um forno de reaquecimento com longarinas equipado com queimadores, caracterizado pelo fato de que ele é equipado com uma instalação de recuperação de energia de acordo com a invenção, a dita instalação de energia sendo ligada ao dito forno.

[0048] Outras características e vantagens aparecerão à luz da descrição dos modos de realização preferidos da invenção acompanhada das figuras nas quais: - a Figura 1 representa esquematicamente uma instalação de acordo com um primeiro modo de realização na qual o fluido orgânico da máquina ORC é preaquecido em série pela recuperação de energia nas duas fontes, vapor e gases, - a Figura 2 representa esquematicamente uma instalação de acordo com um segundo modo de realização similar a aquele da figura 1, mas no qual o fluido orgânico da máquina ORC é preaquecido em uma só etapa, depois da adição à montante das duas fontes vapor e gases, - a Figura 3 representa esquematicamente uma instalação de acordo com um terceiro modo de realização similar a aquele da figura 2 no qual um circuito intermediário suplementar é acrescentado no lado do vapor, e - a Figura 4 representa esquematicamente uma instalação de acordo com um quarto modo de realização no qual fluidos orgânicos que coletam as calorias que provêm das longarinas e dos gases de combustão são misturados à montante da máquina ORC e a energia é recuperada paralelamente.

[0049] Esses modos de realização não sendo de nenhuma forma limitativos, será possível notadamente realizar variante da invenção que só compreendem uma seleção de características descritas na sequência, tais como descritas ou generalizadas, isoladas das outras características descritas, se essa seleção de características é suficiente para conferir uma vantagem técnica ou para diferenciar a invenção em relação ao estado da técnica.

[0050] Na Figura 1, é possível ver esquematicamente representada uma instalação de acordo com um primeiro exemplo de realização da invenção. Para simplificar a descrição, só são representados nessa figura os equipamentos necessários para a compreensão da invenção. Equipamentos indispensáveis ao funcionamento da instalação, tais como bombas, válvulas, cobertura de alimentos, vaso de expansão, etc., não estão representados nessa figura e nas seguintes, nem descritos nessa descrição, o profissional sabendo definir os mesmos, dimensioná-los e implantar os mesmos do melhor modo possível na instalação.

[0051] Produtos 1 são reaquecidos de modo contínuo dentro de um forno 2 de reaquecimento com longarinas tubulares. O deslocamento e a manutenção dos produtos dentro do forno são assegurados por longarinas fixas e longarinas móveis. As longarinas compreendem trasfogueiros 3a e quilhas 3b nos quais circula um fluido de resfriamento. Queimadores 5 asseguram o aquecimento do forno 2 e dos produtos 1. Gases de combustão que provêm dos queimadores 5 são evacuadas para fora do forno por um conduto de gases 6.

[0052] Na entrada das longarinas, o fluido de resfriamento é, por exemplo, água superaquecida a uma temperatura de 215°C e a uma pressão de 21 bars absolutos. Por ocasião de seu escoamento nas longarinas, a água superaquecida se transforma parcialmente em vapor saturado 4. Na saída das longarinas, o fluido de resfriamento é composto por uma mistura de água superaquecida e de vapor saturado 4. Um balão 7 permite a separação da água no estado líquido e do vapor saturado 4.

[0053] A instalação compreende uma máquina ORC que executa um ciclo de Rankine em um fluido orgânico 21 em circulação dentro de um circuito 13.

[0054] A instalação compreende um circuito de recirculação intermediário 16 disposto entre o circuito de vapor e o circuito 13 da máquina ORC. Um fluido intermediário de transferência de calor 17 circula no circuito de recirculação intermediário 16, de preferência orgânico, mantido no estado líquido.

[0055] O circuito de recirculação intermediário 16 compreende notadamente dois trocadores de calor 8 e 18 e uma bomba de circulação não representada. Assim o vapor saturado 4 cede calorias ao fluido intermediário de transferência de calor 17 por meio do trocador 18 no qual ele se condensa, e depois o fluido intermediário de transferência de calor 17 cede por sua vez calorias ao fluido orgânico 21 da máquina ORC por meio do trocador 8.

[0056] A adução do circuito de recirculação intermediário 16 pode permitir reforçar a segurança da instalação e utilizar fluidos térmicos de propriedades diferentes. Assim o fluido intermediário de transferência de calor 17 poderá ter uma compatibilidade maior com o vapor do que o fluido orgânico 21 da ORC que limita assim o risco de incêndio ou de explosão.

[0057] Um trocador de calor 9 pode ser alimentado com um fluido de transferência de calor 10, de preferência orgânico no estado líquido, que circula em um circuito de recirculação 11. O fluido de transferência de calor 10 pode ser de mesma natureza que o fluido intermediário de transferência de calor 17, no lado do vapor, mas ele pode também ser de natureza diferente. Os gases cedem uma parte de suas calorias ao fluido de transferência de calor 10 no trocador de calor 9. Um segundo trocador de calor 12 é disposto no circuito de recirculação 11. O segundo trocador 12 permite a transferência das calorias captadas pelo fluido de transferência de calor 10 ao fluido orgânico 21 da máquina ORC.

[0058] O fluido orgânico 21 circula dentro da máquina ORC no circuito de recirculação 13 que compreende notadamente, de preferência sucessivamente no sentido do escoamento do fluido, os trocadores de calor 8 e 12, uma turbina de expansão 14, um trocador 15 de condensação do fluido orgânico 21 da máquina ORC e uma bomba de sobrepressão 24. A energia térmica cedida ao fluido orgânico 21 da máquina ORC nos trocadores de calor 8 e 12 permite levar esse último para a fase vapor. A expansão do vapor aciona em rotação a turbina de expansão 14 que é acoplada a um alternador que produz eletricidade. Na saída da turbina de expansão 14, o trocador 15 permite condensar o fluido orgânico 21, antes que ele tenha voltado para os trocadores de calor 8 e 12 para ser submetido a um novo ciclo de Rankine. O fluido orgânico 21 cede calorias dentro do trocador 15 a um fluido de transferência de calor que circula em um circuito 22.

[0059] Um conjunto de registros 23 permite fazer com que a totalidade ou parte dos gases de combustão contornem o trocador de calor 9.

[0060] Um trocador térmico 25 permite captar calorias de um fluido 26 disponível no sítio e transmitir as mesmas para o fluido orgânico 21 da máquina ORC. A instalação de acordo com a invenção permite assim valorizar também uma ou várias fontes de calor para um desempenho global aumentado do sítio industrial no qual ela está instalada.

[0061] A figura 2 representa esquematicamente uma variante de realização da invenção na qual as calorias dos gases são trazidas ao fluido intermediário 17 e não diretamente ao fluido 21 da ORC. Do mesmo modo, o aporte complementar de calorias do fluido 26 é feito ao fluido intermediário 17 e não diretamente ao fluido 21 da ORC. Essa configuração permite um controle simplificado da ORC, e reforça sua segurança, com um só trocador no qual é realizado o conjunto dos aportes caloríficos ao fluido 21 e sua vaporização.

[0062] A figura 3 representa esquematicamente uma outra variante de realização da invenção na qual um circuito intermediário 30 é acrescentado no lado do vapor dentro do qual circula um fluido de transferência de calor 31. O vapor 4 cede calorias ao fluido de transferência de calor 31 se condensando para isso dentro do trocador 18, e depois o fluido de transferência de calor 31 cede por sua vez essas calorias ao fluido de transferência de calor 17 por meio de um trocador de calor 32. Essa configuração permite reforçar a segurança da instalação, e a flexibilidade de sua regulação, a tecnologia dos trocadores 8, 18, 31 e a natureza dos fluidos portadores de calor 31, 17, 21 sendo escolhidas de modo a dispor de tecnologias experimentadas nos trocadores e a limitar os riscos de incêndio ou de explosão em caso de contato entre os fluidos em consequência da perfuração dos trocadores.

[0063] A figura 4 representa esquematicamente uma outra variante de realização da invenção na qual uma mistura é realizada entre uma parte do fluido de transferência de calor 10 que circula dentro do circuito de recirculação 11 e uma parte do fluido intermediário de transferência de calor 17, de preferência orgânico, que circula dentro do circuito de recirculação 16, os fluidos 10 e 17 sendo de mesma natureza. Essa mistura, por exemplo realizada por meio de válvulas de três vias 20, é em seguida levada a um trocador de calor 19 no qual ela cede calorias ao fluido orgânico 21 da máquina ORC. Na saída do trocador 19, a mistura de fluido é de novo repartido entre os dois circuitos de recirculação 11 e 16, por exemplo por meio de válvulas de três vias.

[0064] A quantidade de energia disponível nos gases e no fluido de resfriamento das longarinas é geralmente de mesma ordem de grandeza, por exemplo 10 MWth nos gases e nas longarinas para um forno de uma capacidade de 450 t/h.

[0065] No trocador de calor 18, a temperatura do vapor saturado 4 sendo substancialmente constante, por exemplo de 215°C para uma pressão de 21 bars absolutos, a troca térmica com o fluido intermediário de transferência de calor 17 do circuito de recirculação 16 é sempre ótima.

[0066] No trocador de calor 9, a temperatura dos gases pode variar, por exemplo de 300°C, para uma capacidade máxima do forno, a 280°C para 70 % de sua capacidade. Assim, a troca térmica com o fluido de transferência de calor 10 do circuito de recirculação 11 é variável e as condições de funcionamento do fluido comum do circuito 20 que entra na máquina ORC podem variar, no caso de um óleo térmico, de 225°C a 215°C em temperatura e de 70 kg/s a 50 kg/s em vazão respectivamente de acordo com os dois casos de funcionamento descritos mais acima. Para tais temperaturas, o fluido orgânico 21 da máquina ORC que é o mais adaptado é o pentano, esse último sendo levado à montante da turbina de expansão 14 a uma temperatura por exemplo compreendida entre 135°C e 160°C respectivamente de acordo com os dois casos de funcionamento, a fim de que a potência final fornecida pela máquina ORC seja máxima, respectivamente de 1,2 MWe e 0,9 MWe.

[0067] De acordo com um exemplo de realização da invenção, a instalação de recuperação de energia permite coletar calorias que provêm de pelo menos dois fornos. Um trocador de calor 9 pode ser disposto dentro do conduto de gases de cada forno ou de um só forno. Do mesmo modo, calorias podem ser recuperadas no vapor que provém das longarinas dos dois fornos ou de um só.

[0068] Como vem de ser visto, a invenção permite uma recuperação de energia eficaz nas perdas térmicas do forno pelos gases de combustão e das longarinas, graças a um dimensionamento da máquina ORC bem adaptado ao regime ao regime de funcionamento do forno e uma estabilidade de funcionamento desse último que resulta da combinação de duas fontes de calor.

[0069] Evidentemente, a invenção não está limitada aos exemplos que acabam de ser descritos e numerosas adaptações podem ser trazidas a esses exemplos sem sair do âmbito da invenção. Além disso, as diferentes características, formas, variantes e modos de realização da invenção podem ser associados uns com os outros de acordo com diversas combinações na medida em que eles não são incompatíveis ou exclusivos uns dos outros.

Claims (7)

1. Processo de recuperação de energia por uma instalação de recuperação de energia que pode ser ligada a pelo menos um forno de reaquecimento (2) com longarinas equipado com queimadores (5), o dito forno de reaquecimento com longarinas compreendendo um sistema de resfriamento das ditas longarinas, no qual circula água, essa última estando no estado líquido na entrada das longarinas e no estado mistura líquido/vapor na saída das longarinas, a dita mistura sendo separada à jusante das longarinas em água líquida de um lado e vapor (4) do outro, a dita instalação compreendendo uma turbina (14) que produz eletricidade pela execução de um ciclo de Rankine em um fluido orgânico (21), o dito processo sendo caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de transferência direta ou indireta de energia térmica do vapor (4) para um fluido intermediário de transferência de calor (17), de preferência orgânico no estado líquido, por meio de um trocador de calor (18), uma etapa de transferência de energia térmica do dito fluido intermediário de transferência de calor para o fluido orgânico (21) por meio de um trocador de calor (8, 19), e uma etapa de transferência de energia térmica direta ou indireta de pelo menos parte dos gases de combustão dos queimadores (5) para o fluido orgânico (21) por meio de um trocador de calor (12, 19) funcionalmente disposto para transferir para o dito fluido orgânico (21), pelo menos uma parte das calorias contidas nos gases de combustão dos queimadores (5), por meio de um fluido de transferência de calor (10) e um trocador (9).

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de transferência de calor (10) destinado a transferir pelo menos uma parte das calorias contidas em gases de combustão dos queimadores (5) para o fluido orgânico (21) é um fluido orgânico no estado líquido, de preferência um óleo térmico.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o fluido de transferência de calor (10) destinado a transferir pelo menos uma parte das calorias contidas em gases de combustão dos queimadores (5) para o fluido orgânico (21) e o fluido intermediário de transferência de calor (17) destinado a transferir energia térmica para o fluido orgânico (21) são de mesma natureza, esses dois fluidos portadores de calor (10, 17) sendo misturados à montante do trocador (19) no qual é realizado a transferência térmica entre esses fluidos e o fluido orgânico (21).

4. Instalação de recuperação de energia térmica que pode ser ligada a pelo menos um forno de reaquecimento (2) com longarinas equipado com queimadores (5), o dito forno de reaquecimento com longarinas compreendendo um sistema de resfriamento das ditas longarinas, no qual circula água, essa última estando no estado líquido na entrada das longarinas e no estado mistura líquido/vapor na saída das longarinas, a dita mistura sendo separada à jusante das longarinas na forma de água líquida de um lado e vapor (4) do outro, a dita instalação sendo caracterizada pelo fato de que compreende uma turbina (14) disposta para produzir eletricidade pela execução de um ciclo de Rankine em um fluido orgânico (21), a dita instalação compreende um trocador de calor (18) funcionalmente disposto de maneira a transferir diretamente ou indiretamente energia térmica do vapor (4) para um fluido intermediário de transferência de calor (17), de preferência orgânico no estado líquido, pelo menos um trocador de calor (8, 19) sendo disposto de maneira a transferir energia térmica do dito fluido intermediário de transferência de calor para o fluido orgânico (21), a dita instalação compreendendo ainda outro pelo menos um trocador de calor (12, 19) funcionalmente disposto de maneira a transferir diretamente ou indiretamente para o dito fluido orgânico (21), pelo menos uma parte das calorias contidas em gases de combustão dos queimadores (5), via um fluido de transferência de calor (10) e um trocador (9).

5. Instalação de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que pelo menos um forno de reaquecimento (2) com longarinas compreende um trocador de calor (9) que é disposto dentro de um conduto (6) de evacuação de gases de combustão do dito pelo menos um forno de reaquecimento com longarinas para coletar calorias que provêm dos ditos gases de combustão e transmitir as mesmas para o fluido de transferência de calor (10) que circula dentro do dito trocador de calor.

6. Instalação de acordo com as reivindicações 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o fluido de transferência de calor (10) e o fluido intermediário de transferência de calor (17) são de mesma natureza.

7. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um outro trocador de calor (25) funcionalmente disposto de modo a transferir diretamente ou indiretamente energia térmica de pelo menos uma outra fonte (26) para o fluido orgânico (21).

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