BR112019021549B1 - Sistema combinado de calor e energia e seu método de operação - Google Patents

Abstract

É descrito um sistema combinado de calor e energia (CCE). O sistema CCE inclui uma câmara de combustão tendo uma entrada de ar e um escape. A câmara de combustão está configurada para receber um gás secundário quente para combustão. Um trocador de calor acoplado a um separador de partículas recebe os gases de combustão misturados e transfere o calor para um gás secundário. O sistema CCE também inclui uma turbina configurada para receber e comprimir um gás secundário e direcionar o gás secundário comprimido para o trocador de calor; a turbina também está configurada para receber um gás secundário comprimido aquecido e expandi-lo para gerar trabalho, com o gás secundário expandido aquecido sendo também usado para combustão e para regular a temperatura dos gases de combustão que entram no trocador de calor. Um gerador está conectado ao eixo de acionamento da turbina, estando configurado para gerar eletricidade com o trabalho nela gerado.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A matéria aqui descrita se refere a um sistema combinado de calor e energia, em particular a um sistema térmico que utiliza recursos orgânicos de resíduos e os converte em energia térmica, utilizada para acionar uma turbina a gás acoplada ao sistema térmico para produzir energia e um alto nível de calor residual utilizável, para aplicações térmicas de baixa e alta temperatura.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Sistemas Combinados de Calor e Energia (CCEs) têm sido utilizados de várias formas há mais de 100 anos. Os mais comuns são os sistemas de queima de combustíveis fósseis que usam, por exemplo, turbinas a vapor, turbinas a gás e motores de combustão interna para produzir energia. O calor rejeitado desses sistemas pode ser usado para uma ampla faixa de aplicações, tais como aquecimento, resfriamento, e em alguns casos onde a temperatura do calor residual é suficientemente alta, o calor pode ser usado para acionar um segundo ciclo. A maior parte do foco dos sistemas CCEs tradicionais tem sido os grandes sistemas de queima de combustíveis fósseis conectados às redes de aquecimento urbano. Nos últimos 30 anos, o foco passou para os sistemas CCEs distribuídos menores, nos quais o calor ou a energia gerados poderiam ser melhor utilizados pelo usuário final. Esses sistemas também têm sido sistemas de queima de combustíveis fósseis, que comumente usam pequenas turbinas a gás ou motores alternantes para produzir energia juntamente com o calor residual utilizável do ciclo. Outros sistemas que usam o Ciclo de Rankine Orgânico também têm sido utilizados, embora a qualidade do calor residual seja relativamente baixa, o que limita as aplicações para o calor.

[003] Mais recentemente, o foco no uso de fluxos de resíduos orgânicos renováveis como combustível tem sido predominante, e está progredindo em termos de tecnologia. Grandes biomassas e resíduos sólidos urbanos têm sido usados na operação de sistemas de energia há muitas décadas. A capacidade de utilizar uma grande variedade de fontes orgânicas em um pequeno sistema CCE (por exemplo, para menos de 1 MW de energia elétrica) tem sido desafiadora por diversos motivos. Muito poucas tecnologias de conversão de material orgânico em energia têm sido utilizadas, com graus variados de sucesso. A gaseificação de materiais orgânicos em gás de síntese tem sido uma abordagem para converter um combustível sólido em um gás de hidrocarboneto para combustão nos sistemas de energia tradicionais. Infelizmente, esses sistemas podem ser caros, especialmente quando dimensionados para aplicações de menor escala. Além disso, o estoque de material orgânico para alimentação pode apresentar desafios particulares de aplicação. Por exemplo, dependendo do método de gaseificação e da eficiência de conversão, a energia potencial disponível em alguns materiais orgânicos sofre perdas que representam um impacto econômico no custo da energia e do calor. A gaseificação de resíduos orgânicos misturados é particularmente problemática para muitos sistemas de gaseificação.

[004] Outro método aplicado para pequenas aplicações CCE tem sido a utilização de combustão direta dos materiais orgânicos através de uma câmara de combustão apropriada, utilizando-se o calor através de um trocador de calor para acionar um motor de queima externa. Os sistemas de queima externa tradicionais incluem o ciclo de Stirling, o ciclo a Vapor de Rankine, o ciclo de Rankine Orgânico, e os ciclos de CO2 super críticos. Em todos esses sistemas, a temperatura do calor rejeitado afeta a eficiência do ciclo. Quanto maior a temperatura do calor rejeitado, menor a eficiência de energia. Com exceção do ciclo de vapor, os outros ciclos termodinâmicos normalmente perdem eficiência ao produzirem água quente a 90 °C. No entanto, com o ciclo de vapor, a deficiência é a complexidade e o custo associados a um circuito de vapor de alta pressão em uma pequena aplicação.

[005] Outro método que tem sido utilizado mais recentemente consiste no uso de uma turbina a gás de ciclo de Brayton aberto, introduzindo-se calor indiretamente através de um trocador de calor. Vários sistemas foram testados onde uma pequena turbina foi acoplada a um sistema de combustão de material orgânico. Nesses sistemas, o ar ambiente é comprimido no compressor da turbina e depois direcionado para um recuperador para pré-aquecer o ar do compressor. O ar comprimido e pré-aquecido é então direcionado ao trocador de calor quente para ser aquecido pelo sistema de combustão de material orgânico. O ar altamente aquecido é então expandido na turbina para produzir trabalho para acionar um gerador e produzir eletricidade. Continuando o ciclo, os gases quentes da turbina são usados para pré-aquecimento no recuperador, como mencionado anteriormente. Os gases de exaustão quentes da turbina podem então ser esgotados ou dirigidos para um outro trocador de calor, onde o ar de combustão é aquecido com os gases de combustão esgotados e é direcionado para o processo de combustão. Em todas as configurações do estado da técnica anterior, a turbina utiliza um recuperador para pré-aquecer o ar ambiente comprimido. Além disso, a maioria dos sistemas existentes emprega um pré-aquecedor do ar de combustão para recuperar o calor dos gases de combustão bem como o calor remanescente no escape da turbina. Embora essas abordagens melhorem a eficiência da conversão de energia térmica em elétrica, são necessários múltiplos trocadores de calor e tubulações complexas para direcionar os gases no circuito, o que pode reduzir a eficiência geral do sistema.

[006] O efeito do recuperador tem o propósito de aumentar a temperatura do ar do compressor antes do trocador de calor quente. O calor é extraído da turbina de expansão para pré-aquecer o ar do compressor. O ar do compressor é ainda mais aquecido pelo trocador de calor quente, onde o calor é extraído dos gases de combustão. A utilização do recuperador reduz o tamanho do trocador de calor quente. No entanto, também reduz a quantidade de energia térmica extraída dos gases de combustão. Para atingir uma alta eficiência termo-elétrica, é desejável recuperar tanto calor quanto possível a partir dos gases de exaustão de combustão. Como os gases de exaustão da combustão não podem ser diretamente alimentados de volta ao sistema de combustão, é necessário um pré- aquecedor de ar de combustão para recuperar o calor dos gases de exaustão. Essas perdas podem ser reduzidas pelo uso do ar de exaustão da turbina como o ar de combustão, mas este ainda requer o pré-aquecedor de ar.

[007] Outro desafio para os sistemas existentes está relacionado ao controle da temperatura dos gases de combustão que entram no trocador de calor quente. Para aplicações que utilizam uma turbina a gás com ciclo de Brayton, é desejável poder fornecer o ar do compressor (ou expansor) na temperatura de entrada projetada para a turbina. Em muitos casos essa temperatura pode chegar a 950 °C. Para atingir essa temperatura do ar de entrada, os trocadores de calor precisam operar próximo dos limites de temperatura máximos do projeto. Além disso, é importante poder manter uma temperatura constante no trocador de calor. O superaquecimento e as variações de temperatura podem causar tensões no trocador de calor bem como na turbina de expansão, enquanto que o subaquecimento pode causar temperaturas de entrada mais baixas, reduzindo a potência e a eficiência. Variações de temperatura podem ser uma preocupação significativa quando combustíveis misturados são queimados, os quais podem ter diferenças muito grandes nos valores de calor.

[008] Os sistemas existentes também costumam utilizar um sistema de alimentação de volume constante para fornecer o combustível sólido para a câmara de combustão. Não existe um sistema para determinar o valor do calor dos combustíveis sólidos misturados quando eles são alimentados na câmara de combustão. À medida que o combustível é queimado, o combustível com maior valor de calor causará um aumento na temperatura dos gases de exaustão, enquanto que o combustível com menor valor de calor terá o efeito oposto. Como resultado, os combustíveis sólidos misturados criam fluxos variáveis de temperatura do gás, que não podem ser facilmente corrigidos pelo ajuste do sistema de alimentação.

[009] Um exemplo de documento do estado da técnica diz respeito ao documento WO2014015894, que refere-se a um sistema de turbina a gás em que parte do gás de combustão, após ter passado por um primeiro trocador de calor, é realimentado na câmara de combustão. O documento US4164124 refere-se a um sistema de turbina que inclui um compressor e meios para fornecer a saída do compressor para a turbina como seu gás operacional. O documento US4827723 refere-se a um sistema de geração de energia que compreende um circuito combustor de leito fluidizado acoplado em sua saída a um separador de partículas de modo que as partículas sólidas separadas do separador são transportadas de volta para a câmara de combustão. O documento WO2012082062 refere-se a um sistema de turbina a gás compreendendo uma câmara de combustão, uma turbina, um compressor e um primeiro trocador de calor, em que o primeiro calor trocador e a câmara de combustão são formados integralmente como uma unidade monolítica, para formar de modo que um sistema de turbina a gás aquecido indiretamente é alcançado.

BREVE SUMÁRIO

[010] É aqui descrita em uma forma de incorporação um sistema combinado de calor e energia (CCE). O sistema CCE inclui uma câmara de combustão com uma entrada de gás e um escape. A câmara de combustão está configurada para receber um gás secundário quente para combustão. O sistema CCE também inclui uma válvula proporcional acoplada operacionalmente em série com a entrada de gás, operável para controlar o fluxo do gás secundário expandido aquecido que passa por ela. Um plenum (câmara) de exaustão operativamente conectado à câmara de combustão está configurado para dela receber os gases de combustão a alta temperatura, tal plenum incluindo uma porta de gás secundária operável para dirigir o gás secundário aquecido expandido para o plenum de exaustão, para mistura com os gases de combustão a alta temperatura. Um trocador de calor acoplado ao plenum de exaustão recebe gases de combustão misturados e transfere o calor para um gás secundário. O sistema CCE também inclui uma turbina configurada para receber e comprimir um gás secundário e direcionar o gás secundário comprimido para o trocador de calor, tal turbina também estando configurada para receber um gás secundário comprimido aquecido e expandi-lo para gerar trabalho a partir dele, com esse gás secundário aquecido expandido sendo também usado para combustão e para regular a temperatura dos gases de combustão que entram no trocador de calor. Um gerador está conectado ao eixo de acionamento da turbina, configurado para gerar eletricidade através do trabalho nela gerado.

[011] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um mecanismo de controle para controlar a taxa de alimentação do combustível sólido na câmara de combustão.

[012] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o mecanismo de controle pode incluir um mecanismo de alimentação e uma válvula de controle.

[013] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um sensor de temperatura, tal sensor de temperatura sendo operável para detectar a temperatura dos gases de combustão na exaustão do gás de combustão.

[014] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o sensor de temperatura pode ser pelo menos um dentre um termopar, um detector de infravermelho e um detector semicondutor.

[015] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um separador de partículas de alta temperatura tendo uma entrada e um escape, tal separador estando operacionalmente conectado à câmara de combustão e configurado para receber gases de combustão de alta temperatura, com o escape incluindo o plenum de exaustão.

[016] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o separador de partículas de alta temperatura pode incluir um separador ciclônico, tal separador ciclônico estando acoplado operacionalmente a um funil para remoção de material particulado.

[017] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o separador ciclônico pode remover cerca de 99% de todas as partículas maiores que cinco mícrons.

[018] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a válvula de gás pode ser uma válvula proporcional operativamente conectada a um controlador, configurada para controlar um fluxo do gás secundário expandido aquecido, para mistura com os gases de combustão de alta temperatura.

[019] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a válvula de gás pode controlar o fluxo do gás secundário expandido aquecido para mistura com os gases de combustão de alta temperatura, com base em uma temperatura pelo menos dos gases secundários expandidos, e / ou do gás de combustão de alta temperatura, e / ou dos gases de combustão misturados.

[020] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a válvula proporcional pode estar operacionalmente conectada a um controlador e configurada para controlar o fluxo do gás secundário expandido aquecido na câmara de combustão.

[021] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a válvula proporcional pode controlar o fluxo do gás secundário expandido aquecido para a câmara de combustão, com base em uma temperatura pelo menos dos gases secundários expandidos, e / ou do gás de combustão de alta temperatura, e / ou dos gases de combustão misturados, e com base em uma temperatura do gás secundário comprimido aquecido.

[022] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a válvula proporcional pode controlar o fluxo do gás secundário expandido aquecido para a câmara de combustão, com base em uma temperatura do gás secundário comprimido aquecido.

[023] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um segundo sensor de temperatura, com esse segundo sensor de temperatura sendo operável para detectar a temperatura dos gases de combustão misturados.

[024] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um terceiro sensor de temperatura, com esse terceiro sensor de temperatura sendo operável para detectar a temperatura do gás secundário expandido aquecido.

[025] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um controlador, tal controlador estando conectado operacionalmente pelo menos a um primeiro sensor de temperatura, e / ou a um segundo sensor de temperatura, e / ou a um terceiro sensor de temperatura, o dito controlador também estando conectado operacionalmente pelo menos a um mecanismo de controle, e / ou a uma válvula proporcional, e / ou a uma válvula de gás, com esse controlador estando configurado para executar um método para controlar pelo menos uma taxa de alimentação do combustível sólido na câmara de combustão, e/ou um fluxo do gás secundário expandido aquecido na câmara de combustão, e / ou uma temperatura do gás de combustão misturado.

[026] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um soprador e um aquecedor operacionalmente conectado à câmara de combustão, com o soprador e o aquecedor estando configurados para operarem para iniciar a combustão do combustível sólido na câmara de combustão.

[027] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir uma ventoinha de indução de fluxo de exaustão conectada operacionalmente à câmara de combustão, tal ventoinha de indução de fluxo de exaustão estando configurada para manter a câmara de combustão em uma pressão mais baixa do que a pressão do gás secundário aquecido expandido.

[028] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o trocador de calor de alta temperatura pode estar configurado como um trocador de calor de contrafluxo único.

[029] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir um trocador de calor de baixa temperatura, conectado operacionalmente ao trocador de calor de alta temperatura, e configurado para receber os gases de combustão misturados que foram resfriados, tal trocador de calor de baixa temperatura sendo operável para transferir o calor dos gases de combustão misturados resfriados para um fluido de trabalho secundário de baixa temperatura, para uma aplicação secundária de baixa temperatura.

[030] Também é aqui descrito em uma forma de incorporação um método de operação de um sistema combinado de calor e energia (CCE). O método inclui iniciar um processo de combustão em uma câmara de combustão e queimar um combustível sólido com um gás secundário expandido aquecido, gerar um gás de combustão a alta temperatura, e regular uma temperatura dos gases de combustão a alta temperatura com um gás secundário expandido aquecido para produzir um gás de combustão misturado. O método também inclui comprimir um gás secundário, transferir o calor do gás de combustão misturado para um gás secundário comprimido, expandir um gás secundário comprimido aquecido e desse modo gerar trabalho, e empregar o trabalho gerado.

[031] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir pelo menos o controle de uma taxa de alimentação do combustível sólido na câmara de combustão, e / ou o controle de uma taxa de fluxo do gás secundário expandido aquecido na câmara de combustão, e / ou o controle da regulação com base pelo menos em uma temperatura do gás secundário expandido aquecido, e / ou em uma temperatura do gás de combustão misturado, e / ou em uma temperatura dos gases de combustão de alta temperatura, e/ou no trabalho gerado.

[032] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a regulação de uma temperatura dos gases de combustão a alta temperatura pode incluir o controle de um fluxo do gás secundário expandido aquecido, e a mistura com os gases de combustão a alta temperatura após a separação.

[033] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir a medição de uma temperatura dos gases de combustão de alta temperatura.

[034] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir a medição de uma temperatura do gás de combustão misturado.

[035] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir a medição de uma temperatura do gás secundário expandido aquecido.

[036] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais a transferência pode ocorre em um trocador de calor de contrafluxo.

[037] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o gás secundário expandido aquecido pode estar a uma temperatura de cerca de 600 °C, e ser aplicado diretamente no processo de combustão.

[038] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, em formas de incorporação adicionais o processo de combustão pode atingir uma temperatura pelo menos de 1000 °C, e / ou de 1050 °C, e / ou de 1100 °C, e / ou de 1150 °C.

[039] Além de uma ou mais das características descritas acima ou abaixo, ou como alternativa, formas de incorporação adicionais podem incluir a remoção de material particulado dos gases de combustão de alta temperatura com um separador de partículas de alta temperatura.

[040] Outros aspectos, características e técnicas das formas de incorporação tornar-se-ão mais evidentes a partir da descrição a seguir, tomada em conjunto com os desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[041] A matéria que é considerada como a invenção é particularmente apontada e distintamente reivindicada nas reivindicações presentes na conclusão desta especificação. Características anteriores, e outras características e vantagens da invenção, estão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: - A fig. 1 é uma ilustração esquemática do diagrama de blocos de um sistema combinado de calor e energia, de acordo com uma forma de incorporação; - A fig. 2 é um fluxograma que descreve um método para controlar um sistema combinado de calor e energia, de acordo com uma forma de incorporação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[042] É aqui descrito em uma ou mais formas de incorporação um sistema combinado de calor e energia, que utiliza recursos orgânicos residuais e os converte em energia térmica usada para acionar uma turbina a gás acoplada ao sistema térmico, para produzir energia e um alto nível de calor residual utilizável para aplicações térmicas tanto de baixa como de alta temperatura.

[043] Uma característica das formas de incorporação descritas consiste na possibilidade de configurar o sistema com um trocador de calor que funciona para aquecer o ar do compressor desde a temperatura de descarga até a temperatura máxima necessária na entrada da turbina. Ao remover o recuperador do circuito, mais energia é extraída dos gases de combustão, reduzindo assim a temperatura dos gases de combustão após o trocador de calor. O trocador de calor pode ser maior que o trocador de calor quente, para acomodar a maior transferência de energia térmica, embora ele seja de tamanho igual ou menor que o recuperador e o trocador de calor quente combinados. Uma vantagem dessa configuração é que o ar de exaustão da turbina é muito quente e pode atingir temperaturas de 600 °C. Esse ar quente pode ser usado diretamente no sistema de combustão sem a necessidade do pré-aquecedor de ar de combustão, o que reduz o custo e melhora a eficiência.

[044] Outra característica das formas de incorporação descritas de um sistema de combustão consiste na inclusão de um sensor de temperatura, tal como um termopar, para medir a temperatura dos gases de exaustão de combustão que saem da câmara de combustão. Em uma forma de incorporação, um sistema de separação de partículas ciclônico de alta temperatura é usado para remover cerca de 99% das partículas acima de aproximadamente 5 mícrons dos gases de combustão, para reduzir a incrustação do trocador de calor. Para obter uma combustão completa, é desejável atingir uma temperatura de gás de combustão de pelo menos 1000 °C. Temperaturas mais altas são desejadas até o ponto em que a formação de NOx pode se tornar uma limitação para as emissões. Em algumas formas de incorporação, a temperatura do gás de combustão é geralmente mais alta que o limite máximo de temperatura para o trocador de calor. O gás quente que sai do separador ciclônico flui através de um duto que possui uma porta para a introdução de um gás secundário. Esse gás pode ser qualquer fluxo de gás disponível tendo uma temperatura mais baixa que o gás de combustão. Uma fonte seria o ar de exaustão da turbina, ou o ar externo também pode ser usado. Uma válvula de fluxo proporcional é conectada à porta para controlar a quantidade de massa e a energia do calor que entra no fluxo de gás de combustão. O objetivo do fluxo de gás secundário é diminuir a temperatura do gás de combustão e ajustar as flutuações na temperatura do gás. O termopar que mede a temperatura do gás de combustão que sai da câmara envia um sinal para a válvula proporcional para deixar mais ou menos gás entrar no sistema. Como o gás demora aproximadamente 1 segundo para viajar da saída da câmara de combustão até a válvula, há tempo suficiente para a válvula reagir. Um segundo sensor de temperatura, tal como um termopar, fica posicionado a jusante da zona de mistura e antes do trocador de calor, sendo usado para enviar um sinal para a válvula proporcional para manter a temperatura desejada do trocador de calor e ajustar a temperatura do gás.

[045] Ainda outra característica das formas de incorporação descritas consiste em uma câmara de combustão que inclui um sistema de alimentação mecânica para fornecer combustível sólido à câmara. Um soprador de ar e uma fonte de calor externa são acoplados à câmara de combustão para iniciar a combustão. Há uma pluralidade de portas de gás para fornecerem ar de combustão primário a partir de uma turbina a gás. Um sensor de temperatura, tal como um termopar, acoplado à saída de gás de combustão, é provido para medir a temperatura do gás.

[046] Outra característica das formas de incorporação descritas inclui uma pluralidade de separadores de partículas ciclônicos de alta temperatura acoplados à câmara de combustão, para limpar o gás de exaustão. Um sistema de remoção de cinzas é provido, incluindo um parafuso helicoidal de rosca sem fim ou um sistema pneumático para remover as partículas do separador ciclônico.

[047] Outros aspectos das formas de incorporação descritas incluem um plenum de exaustão acoplado ao separador ciclônico. Uma porta de gás secundária está acoplada ao plenum de exaustão para permitir que o gás secundário seja introduzido. Uma válvula proporcional controlada eletronicamente estando acoplada à porta de gás para controlar o fluxo de massa do gás secundário. Uma zona de mistura é provida no plenum para que os gases cheguem a um equilíbrio de temperatura. Um termopar está acoplado ao plenum após a zona de mistura para medir a temperatura do gás. Um termopar estando acoplado à porta secundária para medir a temperatura do gás secundário. É provido um controlador eletrônico para controlar automaticamente a válvula proporcional.

[048] Além disso, uma característica adicional das formas de incorporação descritas inclui um trocador de calor acoplado ao plenum de exaustão. Uma turbina a gás acoplada ao trocador de calor também é provida. Há uma conexão fluídica a partir da seção do compressor da turbina a gás, acoplada ao lado de baixa temperatura do trocador de calor. Há uma conexão fluídica a partir do lado quente do trocador de calor, acoplada à entrada da turbina de expansão. É provida uma conexão fluídica a partir do lado frio do trocador de calor, acoplada a um trocador de calor de baixa temperatura, para remover o calor residual dos gases de combustão. Uma conexão fluídica acoplada ao escape da turbina de expansão está acoplada à câmara de combustão, para fornecer ar de combustão. Em outra forma de incorporação, uma válvula proporcional está acoplada à câmara de combustão para fornecer ar de combustão. Uma segunda conexão fluídica acoplada ao escape da turbina de expansão está acoplada à válvula proporcional no plenum de exaustão do separador de partículas. É provida uma terceira conexão fluídica acoplada ao escape da turbina de expansão, para usar o ar residual de alta temperatura em aplicações térmicas.

[049] Características adicionais das formas de incorporação descritas incluem um método para controlar a temperatura dos gases de combustão antes do trocador de calor. Um sensor de temperatura, tal como um termopar, está posicionado na saída da câmara de combustão para medir a temperatura do gás. Um desvio de temperatura a partir do ponto de ajuste do controlador faz com que seja enviado um sinal para a válvula proporcional informando que o gás de exaustão está fluindo em direção ao trocador de calor, o qual está fora da temperatura do ponto de ajuste. Um algoritmo é usado para abrir ou fechar proporcionalmente a válvula proporcional em relação ao desvio de temperatura. O gás de exaustão da turbina ou, alternativamente, do ar ambiente, é introduzido nos gases de combustão para diminuir a temperatura até o ponto de ajuste do controlador. Um segundo termopar, posicionado após a zona de mistura, detecta a temperatura após o gás misturado atingir o equilíbrio térmico. O segundo termopar envia um sinal para o controlador para ajustar a alteração da taxa de fluxo de massa da válvula proporcional.

[050] Outro aspecto das formas de incorporação descritas consiste em um método para aumentar ou maximizar a eficiência elétrica térmica com o uso de um único trocador de calor de contrafluxo. Um trocador de calor de contrafluxo está fluidicamente acoplado à saída do plenum de mistura. Uma turbina a gás com ciclo de Brayton aberto está fluidicamente acoplada ao trocador de calor. Uma conexão fluídica a partir da saída do compressor da turbina está acoplada à extremidade fria do trocador de calor. Uma conexão fluídica a partir do lado quente do trocador de calor está acoplada à entrada da turbina de expansão. Uma conexão fluídica a partir da saída da turbina está acoplada à válvula proporcional. Uma segunda conexão fluídica a partir da saída da turbina está opcionalmente acoplada a uma válvula proporcional e então à câmara de combustão. Uma terceira conexão fluídica a partir da saída da turbina é provida para aplicações térmicas adicionais. Os gases de combustão que fluem para o trocador de calor transferem uma grande porcentagem de calor disponível para o gás de trabalho da turbina, devido à baixa temperatura de saída do compressor. O ar seco e limpo de alta temperatura (600 °C) sai da turbina de expansão, e fica disponível para recuperação de calor através da porta de mistura de gás secundário. O ar quente também pode ser usado diretamente na câmara de combustão como ar de combustão, sem necessidade de pré-aquecimento. O ar quente também pode ser usado para aplicações de alta temperatura sensíveis à umidade e partículas. Além disso, o calor de alta temperatura pode ser usado para geração de energia de segundo ciclo.

[051] Com o propósito de promover um entendimento dos princípios da presente invenção, será feita agora referência às formas de incorporação ilustradas nos desenhos, e uma linguagem específica será utilizada para descrevê-las. No entanto, deve ser entendido que nenhuma limitação do escopo desta invenção é pretendida. A descrição a seguir é meramente ilustrativa e não está destinada a limitar a presente invenção, sua aplicação, ou usos. Deve ser entendido que, nos desenhos, números de referência iguais indicam partes e características iguais ou correspondentes. Conforme usado aqui, o termo “controlador” se refere a circuitos de processamento que podem incluir um circuito integrado de aplicação específica (ASIC - Application Specific Integrated Circuit), um circuito eletrônico, um processador eletrônico (compartilhado, dedicado ou em grupo), uma memória que armazena um ou mais programas de software ou de firmware, um circuito lógico combinacional e / ou outras interfaces e componentes adequados que provêem a funcionalidade descrita.

[052] Além disso, o termo "exemplificativo" é aqui usado com o significado de "servir como exemplo, instância ou ilustração". Qualquer forma de incorporação ou projeto aqui descrito como "exemplificativo" não deve necessariamente ser interpretado como preferido ou vantajoso em relação a outros modelos ou formas de incorporação. Os termos "pelo menos um" e "um ou mais" devem ser compreendidos como incluindo qualquer número inteiro maior que ou igual a um, isto é, um, dois, três, quatro, etc.. O termo "uma pluralidade" deve ser compreendido como incluindo qualquer número inteiro maior que ou igual a dois, ou seja, dois, três, quatro, cinco, etc.. O termo "conexão" pode incluir uma "conexão" indireta e uma "conexão" direta.

[053] Conforme aqui mostrado e descrito, diversas características da invenção serão apresentadas. Várias formas de incorporação podem ter as mesmas características ou características semelhantes e, portanto, as mesmas características ou características semelhantes podem estar indicadas com o mesmo número de referência, porém precedidas por um primeiro número diferente indicando a figura na qual a característica é mostrada. Assim, por exemplo, o elemento "a" mostrado na Figura X pode estar indicado como "Xa", e uma característica semelhante na Figura Z pode estar indicada como "Za". Embora números de referência semelhantes possam ser usados em um sentido genérico, várias formas de incorporação serão descritas e diversas características podem incluir alterações, mudanças, modificações, etc., conforme será apreciado pelos especialistas na técnica, sendo explicitamente descritas ou, de outra forma, entendidas por aqueles versados na técnica.

[054] A fig. 1 representa um sistema combinado de calor e energia (CCE) 100 de acordo com uma forma de incorporação. O sistema CCE 100 utiliza um sistema de combustão 21, uma turbina a gás com ciclo de Brayton aberto 22, um separador de partículas ciclônico de alta temperatura 23, um trocador de calor de alta temperatura 24 para transferir o calor gerado no sistema de combustão 21 para a turbina 22, e opcionalmente um trocador de calor de baixa temperatura 25, além de um ventilador ou soprador de exaustão 26.

[055] Todos os sistemas de energia de queima indireta utilizam pelo menos um trocador de calor para transferir calor do processo de combustão para o gás de trabalho do motor. Dependendo do tipo de ciclo do motor, a transferência de calor ocorrerá em diferentes temperaturas. Para ciclos como o Ciclo de Rankine Orgânico (CRO), a temperatura fornecida ao motor raramente fica acima de 500 °C e tipicamente fica abaixo de 250 °C. A vantagem de usar um CRO é que ele pode utilizar calor de temperatura mais baixa, e subsequentemente trocadores de calor de menor custo. As desvantagens são uma menor eficiência, um custo mais alto, e um calor residual rejeitado do ciclo, de baixa temperatura, geralmente menor que 90 °C, que não é prontamente utilizado em nenhum outro lugar.

[056] Portanto, muitas vezes é preferível usar um ciclo de temperatura mais alta, tal como um ciclo de Brayton aberto, para utilizar de maneira mais eficiente e direta as altas temperaturas disponíveis no sistema de combustão 21. Os motores atuais com turbina com ciclo de Brayton são projetados para utilizarem um calor de aproximadamente 950 °C. As vantagens do ciclo de temperatura mais alta são uma eficiência mais alta, um custo mais baixo, e um calor residual de alta temperatura rejeitado do ciclo normalmente tão alto quanto 600 °C. A desvantagem é a necessidade utilizar componentes mais especializados no caminho do gás de combustão, como será discutido aqui mais adiante.

[057] Em uma forma de incorporação, o sistema de combustão 21 inclui adicionalmente, mas não está limitado a, um alojamento ou câmara de combustão 30 para a queima de combustível orgânico para gerar calor. Combustíveis de biomassa, isto é, materiais orgânicos produzidos de uma maneira renovável, incluem por exemplo combustíveis de origem vegetal, tais como aparas de madeira, grama aparada, e similares, resíduos de origem animal, ou seja, adubos, ou mesmo resíduos sólidos urbanos (RSUs). A câmara de combustão 30 também inclui uma abertura, uma válvula ou porta 31 para fornecer o combustível para a câmara de combustão 30, um soprador 32 e um aquecedor elétrico 33 para prover ar e calor de combustão para a partida. O sistema de combustão 21 também inclui uma válvula 34 para dosar a massa de combustível sólido direcionado para a câmara de combustão 30, uma porta 35 para fornecer ar de combustão a partir da turbina 22, uma válvula proporcional 38 opcional para dosar o ar de combustão a partir da turbina 22, um sensor de temperatura, como por exemplo um termopar 36, para medir a temperatura de exaustão de combustão, e um controlador 90 para receber diversos sinais de entrada de sensoreamento, tais como temperaturas, posições de válvulas, velocidades, e similares, bem como para controlar as diversas válvulas e motores elétricos no sistema 100.

[058] Em uma forma de incorporação, o separador de partículas 23 inclui ainda um alojamento 40 tendo um ou mais ciclones 41, 42, um funil de desengate 43 para coleta de material particulado, um parafuso helicoidal de rosca sem fim 44 para remoção de partículas do funil 43, e um motor 45 para acionar o parafuso helicoidal 44. O separador de partículas 23 é projetado para operar na temperatura do gás de combustão de cerca de 1150 °C, sendo construído com materiais capazes de operar a essas temperaturas, e também é projetado para ser resistente aos efeitos abrasivos e corrosivos do gás de combustão. Em uma forma de incorporação, o separador de partículas é construído com cerâmica refratária que provê resistência a choques térmicos, resistência à abrasão, e propriedades de isolamento térmico. O separador de partículas ciclônico 23 também inclui um plenum de exaustão 46, incluindo uma porta de gás secundária 47, uma válvula de fluxo de gás proporcional 48, um motor 49 conectado à válvula de fluxo de gás 48 para controlar automaticamente a posição e a velocidade da válvula, e um sensor de temperatura, tal como um termopar 50, para medir a temperatura do gás no plenum de exaustão 46.

[059] O sistema CCE 100 também utiliza um trocador de calor de alta temperatura 24, que inclui uma primeira porta 51 para direcionar o gás de combustão quente para o trocador de calor 24, uma porta 52 para direcionar o gás de combustão frio para fora do trocador de calor 24, um n porta de entrada 53 para direcionar o ar frio do compressor para o trocador de calor 24, e uma porta 54 para direcionar o ar quente do trocador de calor 24 para a turbina de expansão 64. O trocador de calor de alta temperatura 24 está configurado para operar em temperaturas tão altas quanto de aproximadamente 1100 °C. Os trocadores de calor capazes de operar na faixa de alta temperatura necessária para esta aplicação operam próximo dos limites estruturais dos metais empregados, normalmente feitos de aço inoxidável ou de ligas de níquel. Portanto, um controle cuidadoso e preciso da temperatura dos gases de combustão garante que os limites de temperatura dos materiais do trocador de calor de alta temperatura 24 não sejam excedidos. Além disso, há o controle da menor temperatura diferencial entre os gases de exaustão que entram no trocador de calor de alta temperatura 24 e o gás de trabalho que sai do trocador de calor 24. Quanto menor a temperatura diferencial, menor a temperatura máxima de trabalho do trocador de calor. Temperaturas diferenciais mais baixas reduzem o stress (tensões mecânicas) no trocador de calor de alta temperatura 24, prolongando sua vida. Por exemplo, com uma temperatura desejada na entrada da turbina de 950 °C, o gás de combustão deve preferencialmente ser fornecido a 960 °C. Deve ser entendido que tais temperaturas estão no limite extremo das capacidades estruturais dos trocadores de calor de metal, e requerem um controle preciso e exato da temperatura do gás de combustão fornecido ao trocador de calor de alta temperatura 24.

[060] Em uma forma de incorporação, um único trocador de calor de contrafluxo é empregado para melhorar a eficiência termo-elétrica do sistema CCE 100. Deve se entendido que outras configurações do trocador de calor são possíveis. Em uma forma de incorporação é empregado um trocador de calor do tipo com tubos ou com uma placa de contrafluxo única, de aço inoxidável ou liga de níquel, no entanto outros tipos também podem ser utilizados, incluindo, mas sem estar limitado a, tubos e conchas, microtubos, microcanais, outros tipos de placas, e similares. Em uma forma de incorporação, o trocador de calor de alta temperatura pode ser construído de cerâmica ou de aço e liga de níquel. Vantajosamente, os trocadores de calor de cerâmica podem operar a temperaturas superiores a 1100 °C, enquanto que os trocadores de calor convencionais de metal normalmente não podem exceder 950 °C. Enquanto os trocadores de calor de cerâmica apresentam várias vantagens, em uma forma de incorporação é utilizado um trocador de calor metálico. O controle da temperatura do gás de combustão que entra no trocador de calor de alta temperatura 24 reduz o custo de duas maneiras. A primeira é que o controle rigoroso da temperatura dos gases de combustão no trocador de calor de alta temperatura 24 garante a capacidade de usar trocadores de calor de metal, em vez de trocadores de calor de cerâmica, que são significativamente mais caros. Trocadores de calor de cerâmica podem ser 75% mais caros do que os metálicos. Em alguns casos é permitido o uso de aço inoxidável em vez de ligas de níquel, que são mais caras. A segunda economia de custo ocorre na vida útil prolongada do trocador de calor, diminuindo o custo de manutenção ao longo do tempo. Os equipamentos de geração de energia apresentam tipicamente um período de serviço esperado de vinte anos. A operação do trocador de calor de alta temperatura em altas temperaturas pode sofrer tensões térmicas mais altas, o que pode resultar em falhas em apenas 10 a 15 anos. A redução das tensões térmicas com temperaturas de gás de combustão bem controladas assegura uma operação prolongada da ordem de vinte anos, o que se traduz em uma redução de 25% no custo de manutenção.

[061] O sistema de turbina a gás com ciclo de Brayton aberto 22 inclui ainda um compressor de turbina 61 para comprimir o ar ambiente, e uma conexão fluídica 62 a partir da saída do compressor da turbina até a porta de entrada do trocador de calor 53, que transporta ar ambiente comprimido para o trocador de calor de alta temperatura 24. O sistema de turbina a gás 22 também inclui uma conexão fluídica 63 a partir da porta de saída 54 do trocador de calor de alta temperatura 54 até a entrada da turbina de expansão a 64. A turbina de expansão 64 opera para expandir o gás de trabalho (neste caso, o ar ambiente aquecido) e produzir trabalho utilizável, por exemplo, para acionar um gerador 69 para gerar eletricidade. O sistema de turbina 22 também inclui uma conexão fluídica 65 a partir da saída da turbina de expansão 64 até a válvula proporcional 48 do separador de partículas 23, uma conexão fluídica 66 a partir da turbina de expansão 64 até a câmara de combustão 30 do sistema de combustão 21, e uma conexão fluídica 67 a partir da turbina de expansão 64 para aplicações térmicas auxiliares de alta temperatura; um sensor de temperatura, tal como o termopar 68, é empregado para medir a temperatura de exaustão da turbina de expansão 64. O sistema de turbina também inclui um gerador 69 conectado ao eixo da turbina para produzir energia elétrica.

[062] As vantagens de usar um único trocador de calor no sistema CCE 100 se refere a uma melhor eficiência termo-elétrica e um melhor custo. Uma configuração típica para um sistema CCE usando turbina com ciclo de Brayton aberto inclui um pré-aquecedor de ar de combustão, um recuperador e um trocador de calor quente. O recuperador é usado para recuperar a energia térmica dos gases de exaustão da turbina para pré-aquecer o ar de trabalho do compressor. O trocador de calor quente é usado para aquecer ainda mais o ar de trabalho até a temperatura desejada na entrada da turbina. O pré-aquecedor do ar de combustão é necessário para recuperar a energia térmica do ar de exaustão da turbina ou dos gases de combustão que saem do trocador de calor quente. Nesta configuração, a temperatura de exaustão da turbina é baixa (160 °C) e é utilizável apenas em aplicações de baixa temperatura. Como grande parte da energia térmica recuperada está no recuperador, a temperatura do gás de combustão que sai do trocador de calor quente é alta (650 °C). Para alcançar uma eficiência termo-elétrica satisfatória, o gás de combustão é usado para pré-aquecer o ar de combustão no pré-aquecedor.

[063] Existem várias vantagens na utilização de um único trocador de calor de alta temperatura 24 em um sistema CCE 100 usando ciclo de Brayton aberto. Primeiramente, utilizar um único trocador de calor para aquecer o gás de trabalho do compressor extrai mais energia térmica dos gases de combustão, em comparação com a utilização de um recuperador e um trocador de calor quente como ocorre nos sistemas convencionais. O tamanho do trocador de calor único de alta temperatura é um pouco maior que o tamanho do trocador de calor quente, tendo, por exemplo, aproximadamente o mesmo tamanho do recuperador e do trocador de calor quente combinados, porém são eliminadas as interconexões, que introduzem uma queda de pressão no gás de trabalho. Essa queda de pressão pode atingir 0,5% da energia gerada pela turbina.

[064] Uma segunda vantagem da utilização de um único trocador de calor de alta temperatura é a eliminação de um pré-aquecedor de ar de combustão, normalmente empregado nos sistemas convencionais. Mais uma vez, isto reduz a complexidade e o custo do sistema, e quaisquer quedas de pressão associadas com o trocador de calor e com as conexões de tubos, que resultariam no soprador de combustão ou no ventilador de aspiração tendo que extrair mais energia, constituindo uma perda de energia parasita. A energia extra do ventilador pode representar uma perda de energia adicional de 0,5% na energia utilizável.

[065] Uma terceira vantagem da utilização de um único trocador de calor de alta temperatura é a eficiência geral da transferência de calor do sistema, que é aumentada utilizando um único trocador de calor devido à capacidade de recuperar o calor que não seria transferido pelo pré-aquecedor de ar de combustão, devido à eficiência da transferência de calor dos pré-aquecedores. Outra vantagem de utilizar um único trocador de calor de alta temperatura é a redução geral de custos do sistema. A eliminação do recuperador e dos tubos de interconexão entre o recuperador e o trocador de calor quente, bem como a eliminação do pré-aquecedor de ar de combustão e de seus tubos de interconexão, representa uma economia de cerca de 6% no custo geral do sistema. Portanto, o custo da energia e do calor gerados no sistema é reduzido.

[066] A utilização de um único trocador de calor de alta temperatura 24 permite que aproximadamente 15% a mais de energia térmica seja reintroduzida de volta no sistema CCE 100 antes do trocador de calor, como calor utilizável para a turbina. Quando todas as perdas são consideradas, a utilização de um único trocador de calor, conforme aqui descrito, produz 4% a mais de energia em qualquer saída de energia, em comparação com o uso de múltiplos trocadores de calor, o que se traduz, dependendo da eficiência do ciclo da turbina, em uma melhoria de 1,3% na eficiência termo-elétrica geral.

[067] Continuando agora com a fig. 2, e com referência contínua à fig. 1, é representado o processo 200 de controle da combustão do sistema CCE. Em operação, o método inclui iniciar o sistema CCE 100 ligando-se o soprador de ar de combustão 32 e o aquecedor elétrico 33. O ar ambiente é aquecido e fornecido à câmara de combustão 30, conforme representado pela etapa 205 do processo. Em uma forma de incorporação, o ar é pré- aquecido a 800 °C, mas outras temperaturas podem ser empregadas dependendo da aplicação, da câmara de combustão 30 e do tipo de combustível utilizado. Quando a câmara de combustão 30 é aquecida a uma temperatura selecionada, o combustível sólido pode ser introduzido através da válvula 34, e a combustão então começa. Em uma forma de incorporação, a válvula rotativa 34 é usada para controlar a taxa de alimentação de combustível para a câmara de combustão 30. Em uma forma de incorporação, a temperatura para introduzir combustível é selecionada para ser de 350 °C, no entanto outras temperaturas podem ser empregadas. Em uma forma de incorporação, a válvula proporcional 34 pode incluir múltiplas cavidades e gira para dosar a quantidade de combustível sólido que entra na câmara de combustão 30. Ela também funciona como uma trava de ar para impedir que os gases quentes da combustão fluam de volta para a alimentação de combustível e para o armazenamento de combustível orgânico.

[068] À medida que o processo de combustão continua, a temperatura do gás de combustão aumenta para a temperatura de trabalho do sistema de combustão 21. A válvula proporcional 38 controla o fluxo de massa do gás de trabalho quente que entra na porta de ar de combustão 35 na câmara de combustão 30. A válvula proporcional 38 pode ser qualquer tipo de válvula controlada automaticamente, incluindo válvula borboleta, válvula de gaveta, válvula de esfera, válvula de lingueta, ou outro sistema mecânico. A válvula proporcional 38 é acionada por um servomotor 39 conectado à válvula 38. A válvula proporcional 38 pode ser acionada por um servo motor de CC (Corrente Contínua) 39, acionada hidraulicamente, acionada pneumaticamente, ou acionada por outros sistemas de posicionamento eletromecânicos. O servo motor está conectado ao controlador 90, e é acionado por um sinal do controlador 90.

[069] Os sistemas de combustão que utilizam materiais orgânicos geralmente controlam a proporção entre ar e combustível por meio de um sensor de oxigênio ou Lambda 37, que informa ao controlador 90 como variar o combustível ou o ar que está sendo fornecido à câmara de combustão 30. Em um sistema CCE 100 o sensor de oxigênio 37 é usado principalmente para garantir uma proporção positiva entre oxigênio e combustível, principalmente durante a inicialização, e não controla necessariamente o fornecimento de ar de combustão.

[070] Um método para controlar o fornecimento de ar em um sistema de combustão CCE utilizando um ventilador de aspiração consiste em usar uma válvula proporcional 38 que pode variar o fluxo de ar de combustão ao longo de uma faixa, por exemplo, de 0% a 100%. Em operação, ao ser queimado um material consistente com um teor de umidade consistente, a válvula proporcional 38 precisa apenas fornecer ar suficiente para a combustão completa e atender à demanda térmica exigida. Quando todas as condições são constantes, há pouca necessidade de controlar o ar / combustível, exceto quando é feita uma alteração na demanda.

[071] Para operações em que o combustível é um material orgânico, ele pode ser misturado e exibir diferentes valores de calor, além de variar o teor de umidade. Com esse combustível, o controle da proporção ar / combustível se torna mais importante para manter uma temperatura de saída mais constante. A determinação do valor do calor e da umidade do fluxo de combustível que entra na câmara de combustão 30 normalmente não é muito prática. Além disso, como um resultado dessas inconsistências, as flutuações na temperatura do gás de exaustão podem ser significativas. Portanto, o controle da temperatura do gás de exaustão após a combustão se torna o meio mais viável de garantir o ponto de ajuste desejado da temperatura para a combustão.

[072] Quando o gás de trabalho da turbina é usado para o ar de combustão, o gás de trabalho da turbina comprimido pode ser introduzido na câmara de combustão 30 a temperaturas variadas. Por exemplo, o uso do gás de trabalho expandido diretamente a partir da turbina de expansão 64, para recuperação máxima de calor, forneceria o gás de trabalho a temperaturas de 600 °C. No entanto, se o gás de trabalho expandido também for usado para um segundo ciclo, tal como para produzir energia ou para uma aplicação térmica de alta temperatura, tal como secagem de lodo, a temperatura do gás de trabalho que está sendo fornecido à câmara de combustão 30 será mais baixa, e pode ser tão baixa quanto 50 °C. Essas condições também podem mudar devido à alteração na potência de saída do gerador 70, bem como devido a outros efeitos transitórios normais da combustão de certos combustíveis orgânicos e durante a operação do sistema 100.

[073] Em uma forma de incorporação, a temperatura de trabalho visada para o processo de combustão é de cerca de 1100 °C, dependendo do tipo de câmara de combustão e do combustível utilizado. Deve ser entendido que outras temperaturas de trabalho de combustão são possíveis. Deve ser entendido que a temperatura de trabalho desejada para o processo de combustão pode ser selecionada com base em diversos fatores. Temperaturas mais altas são comumente desejadas para uma queima mais limpa de combustível com quantidades menores de emissões de material particulado e emissões de hidrocarbonetos, como por exemplo emissões de monóxido de carbono (CO), emissões de NOX (óxido nitroso), e similares. Por outro lado, temperaturas mais baixas podem ser desejáveis para os componentes a jusante, tais como trocadores de calor e similares.

[074] A temperatura do gás de combustão é medida na saída por um sensor de temperatura 36, como por exemplo um termopar, um sensor de IV, um sensor semicondutor, e similares, que é usado para controlar tanto a taxa de alimentação de combustível para a câmara de combustão 30 quanto a temperatura do gás quente a ser direcionado para os processos a jusante. À medida que o gás sai do alojamento de combustão 30, a temperatura é medida pelo sensor de temperatura 36. O controlador 90 tem um ponto de ajuste de temperatura definido, que determina qual deve ser a temperatura média de combustão. Em uma forma de incorporação, o controlador 90 emprega uma medição da temperatura média ao longo do tempo para controlar a velocidade da válvula rotativa 34 de combustível sólido, para controlar a taxa de alimentação do combustível. A válvula rotativa está configurada para prover alimentação do combustível sólido para a câmara de combustão 30, enquanto também provê uma trava de ar para evitar a fuga de gases de combustão. O uso de uma medição da temperatura média ao longo do tempo para controlar a válvula rotativa permite que a válvula rotativa 34 mantenha uma velocidade mais constante, em vez de responder a flutuações na temperatura de saída do gás de combustão. A temperatura do gás que sai da câmara de combustão 31 pode ser tão alta quanto 1150 °C, o que excede a temperatura máxima para a maioria dos trocadores de calor. A alta temperatura é desejável para obter combustão completa e eliminar as emissões de hidrocarbonetos não queimados.

[075] Como mencionado acima, o controle da energia e do calor gerado pelo sistema 100 requer não apenas o controle da taxa de alimentação de combustível para a câmara de combustão 30, mas também o controle do ar de combustão direcionado para a câmara de combustão 30. Para manter temperaturas quase constantes para os gases de exaustão com as temperaturas variáveis do ar de combustão, a válvula proporcional 38 precisa de uma grande variedade de capacidades de fluxo. Um método consiste em dimensionar a capacidade da válvula 38 de acordo com o maior volume esperado para a capacidade de saída do sistema de combustão 21. Para combustão estequiométrica, é necessária uma quantidade fixa de massa de ar para reagir com uma quantidade fixa de massa de combustível. O volume do fluxo de ar de combustão depende da temperatura do ar. O ar quente é menos denso que o ar frio, portanto, para uma determinada taxa de fluxo de massa, o ar quente terá um volume maior do que o do ar frio. Por exemplo, a 600 °C, a densidade do ar é quatro vezes menor que a do ar a 50 °C, o que significa que a válvula proporcional 38 precisará permitir a passagem de um volume de ar quente quatro vezes maior em comparação com o volume de ar frio para combustão com o combustível. A válvula proporcional 38 estará totalmente aberta na capacidade máxima e para a temperatura de ar mais alta do projeto. Além disso, ao modular o fluxo de ar em altas temperaturas, uma pequena alteração na posição da válvula resulta em uma pequena alteração no volume do fluxo. No entanto, quanto menor a temperatura do ar de combustão, maior a densidade, o que faz com que a válvula proporcional precise fechar ainda mais para reduzir a taxa de fluxo. Isto é, em temperaturas mais baixas uma pequena mudança na posição da válvula resulta em uma alteração desproporcionalmente maior no fluxo, em comparação com o gás quente. Além disso, em temperaturas mais baixas, a sensibilidade da posição da válvula pode causar um ciclo (loop) de realimentação de histerese entre o sensor de temperatura e a posição da válvula, em que a válvula fica perseguindo as flutuações no sensor de temperatura.

[076] Em operação, o sistema CCE 100 pode experimentar muitos efeitos transitórios que causarão uma temperatura variável do ar de combustão. A fim de estabilizar a válvula 38 evitando compensar excessivamente a posição da válvula em relação ao sensor de temperatura, é preferível utilizar uma leitura da temperatura média ao longo do tempo. Ou seja, por exemplo, o sensor faria no mínimo 10 amostras de temperatura por segundo para ler o valor instantâneo da temperatura do gás. Tomar uma média variável durante um intervalo de tempo, por exemplo, de 5 segundos, produz um perfil de temperatura mais suave que é mais fácil de controlar com a válvula. Um intervalo mais curto pode ser usado até o ponto em que a válvula 38 não consegue reagir rápido o suficiente. Por outro lado, um intervalo mais longo terá um perfil de temperatura mais suave, mas causará um atraso no tempo de resposta às mudanças demandadas pelo sistema CCE. Enquanto o método usando a temperatura média ao longo do tempo é utilizado para controlar a válvula de ar de combustão 38, os valores instantâneos são usados para controlar a válvula proporcional de gás secundário 48, misturando o gás de trabalho expandido com a exaustão de combustão antes do trocador de calor de alta temperatura 24.

[077] Ao detectar a temperatura do fornecimento de ar de combustão, um algoritmo que determina a densidade do ar pode ser correlacionado com uma posição proporcional específica da válvula para qualquer temperatura. Além disso, a resolução da posição da válvula pode ser aumentada na faixa de baixas temperaturas, proporcionando um controle mais rígido do ar de combustão.

[078] O gás que sai da câmara de combustão 30 entra em um separador de partículas ou filtro 23, para separar o material particulado dos gases de combustão, conforme representado na etapa 210 do processo. Em uma forma de incorporação, é empregado um separador de partículas ciclônico de alta temperatura 23, embora possam ser utilizados outros tipos de filtros separadores de partículas e similares. Em uma forma de incorporação, o separador de partículas ciclônico de alta temperatura é configurado para assegurar que 99% das partículas com tamanho acima de 5 mícrons sejam removidas dos gases de combustão quentes. À medida que o gás passa através dos ciclones 41 e 42, as partículas são aceleradas em direção à concha externa e viajam ao longo do comprimento do ciclone. No fundo do(s) ciclone(s) 41, 42, as partículas caem da suspensão no funil de desengate 43. Em uma forma de incorporação, as partículas coletadas no funil de desengate 43 são removidas por um parafuso helicoidal de rosca sem fim 44 e um motor 45. O motor 45 do parafuso helicoidal pode operar de forma intermitente ou contínua, dependendo da quantidade de material inorgânico no combustível sólido, do tamanho do parafuso helicoidal 44 e do funil 43. O gás prossegue através do centro do(s) ciclone(s) 41, 42 e sai pelo topo, no plenum de exaustão 46.

[079] Um método para controlar a temperatura dos gases de exaustão que entram no trocador de calor de alta temperatura 24 consiste em introduzir um fluxo de gás secundário, tanto do gás de trabalho da turbina (ar, neste exemplo) como a partir de qualquer outra fonte de ar, incluindo o ar ambiente. O uso do gás de trabalho da turbina é preferível, pois o calor residual é recuperado de volta para o sistema antes do trocador de calor de alta temperatura 24. O sistema de combustão utiliza um ventilador de aspiração 26 que mantém uma pressão negativa dentro do fluxo de gás de combustão. No plenum de exaustão 46, um gás secundário é introduzido, que nesta forma de incorporação são os gases quentes provenientes da turbina. Em uma forma de incorporação, uma válvula proporcional 48 é empregada para controlar a adição de gases mais frios com os gases de combustão. Uma válvula proporcional 48 pode variar o fluxo de ar de 0% até 100%. Em operação, a válvula proporcional 48 é controlada pelo controlador 90, que informa ao motor da válvula 49 para abrir ou fechar a válvula 48, em resposta aos sensores de temperatura 36, 50 e 68. Esses gases são misturados para ajustar a temperatura do gás de combustão para a temperatura de entrada desejada para o trocador de calor de alta temperatura 24, conforme representado na etapa 215 do processo. O gás de trabalho comprimido da turbina, na linha 65, é configurado para estar a uma pressão mais alta do que os gases de combustão no plenum de exaustão 46, para que o gás de trabalho comprimido da turbina flua sem a necessidade de um ventilador. A válvula proporcional 48 tem características semelhantes às da válvula proporcional 38 com relação ao controle de uma ampla faixa de condições de fluxo.

[080] O controle do sistema de combustão CCE e da válvula de ar secundária 48 começa com a carga elétrica na turbina 22 e no gerador 70. A velocidade da turbina mudará em resposta à carga elétrica, o que altera o fluxo de gás de trabalho através da turbina de expansão 64, e assim o fluxo do gás de trabalho sendo aquecido no trocador de calor de alta temperatura 24. O sensor de temperatura 69 detecta a temperatura do gás de trabalho que sai do trocador de calor de alta temperatura 24. Essa temperatura é uma temperatura de ponto de ajuste constante. A fim de manter a temperatura do ponto de ajuste, o fluxo de gás de combustão para o trocador de calor de alta temperatura 24 precisa ser ajustado com base nas alterações na temperatura detectada pelo sensor de temperatura 69 para fornecer a quantidade correta de energia. Isto é conseguido pelo controlador 90, fazendo variar a alimentação de combustível pela válvula 34 para a câmara de combustão, para corresponder à energia desejada.

[081] O sensor de temperatura 36 é usado para controlar a temperatura dos gases de combustão que saem da câmara de combustão. Ele mede a temperatura instantânea do gás e envia essa medição para o controlador 90. O valor médio ao longo do tempo é usado para ser comparado com o valor do ponto de ajuste da câmara de combustão, e para controlar a quantidade de combustível e de ar necessária para manter a temperatura do ponto de ajuste. O valor instantâneo é comparado com o valor do ponto de ajuste para determinar a amplitude do desvio a partir do valor do ponto de ajuste. O sensor de temperatura 68 é usado para detectar a temperatura do gás de trabalho secundário que será introduzido na válvula 48. A temperatura do gás informa ao controlador 90 a densidade do ar secundário, com a finalidade de realizar um melhor controle da posição da válvula em condições variadas. Quando o sensor 36 detecta um desvio de temperatura a partir do ponto de ajuste, o controlador 90 começa a ajustar a válvula 48 antes que os gases de exaustão cheguem ao plenum 46. O sensor de temperatura 50 detecta a temperatura dos gases de combustão que entram no trocador de calor, e é usado para controlar a válvula 48 de duas maneiras. O primeiro algoritmo de controle abrirá ou fechará a válvula em uma posição predeterminada, com base na temperatura do gás secundário e no ponto de ajuste de temperatura do trocador de calor. Um segundo algoritmo de controle opera com o sensor de temperatura 36 para ajustar a sensibilidade da válvula em resposta ao comando para ajustar a válvula 48, de acordo com os desvios de temperatura a partir do ponto de ajuste de temperatura da câmara de combustão.

[082] Inicialmente a válvula proporcional 48 fica totalmente fechada, até que a temperatura medida pelo sensor de temperatura 36, que mede a temperatura dos gases de combustão que saem da câmara de combustão 30, exceda a temperatura desejada do ponto de ajuste de entrada para o trocador de calor 24. Quando a válvula proporcional 48 é aberta, o ar aquecido da turbina de expansão 64 na linha 65 é misturado com os gases de combustão no plenum 46, para manter e regular os gases de combustão de alta temperatura direcionados ao trocador de calor de alta temperatura 24 a uma temperatura substancialmente constante, dentro da tolerância desejada. A válvula proporcional 48 controla o fluxo de massa do gás de trabalho quente que entra na porta secundária 47 após o separador de partículas 23. A válvula proporcional 48 pode ser qualquer tipo de válvula controlada automaticamente, incluindo válvula borboleta, válvula de gaveta, válvula de esfera, válvula de lingueta, ou outro sistema mecânico. A válvula proporcional 48 é acionada por um servomotor 49 conectado à válvula 48. A válvula proporcional 48 pode ser acionada por um servo motor de CC 49, acionada hidraulicamente, acionada pneumaticamente, ou acionada por outros sistemas de posicionamento eletromecânicos. O servo motor está conectado ao controlador 90, e é acionado por um sinal do controlador 90. Outro sensor de temperatura 50 é usado para medir a temperatura dos gases de combustão antes de entrarem no trocador de calor de alta temperatura 24. Os desvios de temperatura a partir do ponto de ajuste de temperatura dos gases de combustão que saem da câmara de combustão 30 são medidos pelo sensor de temperatura 36, e são compensados pelo ajuste da válvula proporcional 48 com base na temperatura medida pelo sensor de temperatura 68, usando um algoritmo que faz abrir a válvula com base em uma estimativa calculada de onde a posição de abertura da válvula deve estar. A temperatura do gás informa ao controlador 90 a densidade do ar secundário, com o propósito de melhor controlar a posição da válvula em condições variadas. O sensor de temperatura 36 está posicionado a montante do local onde a porta de gás secundária 47 está localizada, demorando aproximadamente um segundo para que os gases de combustão viajem para a porta de gás secundária 47. Esse tempo permite que o sinal e a válvula comecem a se ajustar antes que o gás passe pela porta secundária 47. O sensor de temperatura 36 é usado para controlar a temperatura dos gases de combustão que saem da câmara de combustão 30. Ele mede a temperatura instantânea do gás e envia essa medição ao controlador 90. O valor médio ao longo do tempo é usado para comparação com o valor do ponto de ajuste da temperatura da câmara de combustão, para controlar a quantidade de combustível direcionado para a câmara de combustão 30 necessária para manter a temperatura do ponto de ajuste. O valor instantâneo é comparado com o valor do ponto de ajuste para determinar a amplitude do desvio a partir do valor do ponto de ajuste. Quando o sensor 36 detecta um desvio de temperatura a partir do ponto de ajuste, o controlador 90 começa a ajustar a válvula 48 antes que os gases de exaustão cheguem ao plenum 46. O controlador 90 define o ponto de ajuste da temperatura para o trocador de calor 24 com base na entrada (manifestação) do usuário e nas restrições de projeto para um determinado trocador de calor de alta temperatura 24, e responde à medição de temperatura do sensor de temperatura 50. O sensor de temperatura 50 detecta a temperatura dos gases de combustão que entram no trocador de calor de alta temperatura 24, e é usado para controlar a válvula 48 de duas maneiras. O primeiro algoritmo de controle abrirá ou fechará a válvula em uma posição predeterminada, com base na temperatura do gás secundário e no ponto de ajuste de temperatura do trocador de calor. Um segundo algoritmo de controle opera com o sensor de temperatura 36 para ajustar a sensibilidade da válvula em resposta ao comando para ajustar a válvula 48, de acordo com os desvios de temperatura do ponto de ajuste de temperatura. Em uma forma de incorporação, o controlador 90 responde a desvios da temperatura do ponto de ajuste do trocador de calor 24 com um amortecimento proporcional do sinal de mudança da taxa de ajuste da válvula proporcional 48. Em uma forma de incorporação, a temperatura dos gases de combustão que saem do plenum 46 é regulada para a capacidade máxima de temperatura do trocador de calor de alta temperatura 24. Em uma forma de incorporação, a temperatura dos gases de combustão é regulada para 1100 °C. Em outra forma de incorporação, a temperatura dos gases de combustão é regulada para 950 °C. Em uma forma de incorporação, a temperatura é regulada com uma tolerância de ± 100 °C. Em outra forma de incorporação, a tolerância é de ± 50 °C. Em mais uma forma de incorporação, a temperatura é mantida dentro de uma faixa de ± 10 °C.

[083] Conforme representado na etapa 225 do processo, à medida que os gases de combustão quentes passam através do trocador de calor de alta temperatura 24, o calor é transferido dos gases de combustão para o gás de trabalho (ar ambiente comprimido) da turbina 22. Em uma forma de incorporação, após a transferência do calor para os gases de trabalho, os gases de combustão podem então ser utilizados para propósitos secundários, para melhorar a eficiência e a efetividade do sistema CCE 100. Em uma forma de incorporação, as temperaturas do gás de exaustão de combustão que saem do trocador de calor de alta temperatura 24 podem ser tão altas como de aproximadamente 300 °C. No entanto, deve ser entendido que a temperatura dos gases de exaustão que saem do trocador de calor de alta temperatura 24 depende da eficiência do trocador de calor. Uma alta eficiência do trocador de calor diminui a temperatura de exaustão. Além disso, a temperatura dos gases de exaustão que entram no trocador de calor de alta temperatura 24 tem importância. Em aplicações em que o gás de exaustão que entra no trocador de calor de alta temperatura 24 é regulado para uma temperatura mais baixa, por exemplo, de 900 °C, a temperatura que sai do trocador de calor 24 será mais baixa. O objetivo secundário do uso dos gases de combustão é fornecer calor a alta temperatura. Em uma forma de incorporação, os gases de combustão podem passar através de um segundo trocador de calor de baixa temperatura 25 para recuperar mais calor dos gases de combustão, para aplicações térmicas de baixa temperatura, conforme representado pela etapa opcional 245 do processo. Exemplos de processos com segundo ciclo de temperatura mais baixa incluem a geração de energia, por exemplo, em um sistema com CRO com segundo ciclo para gerar mais trabalho ou eletricidade, água quente, resfriamento por absorção, aplicações de secagem a baixa temperatura, secagem de lodo, purificação térmica de água, para aquecimento e resfriamento de espaços, e similares. Mais gás de combustão resfriado sai do trocador de calor de baixa temperatura 25, que é puxado através do ventilador de aspiração 26 e depois exaurido. O ventilador de aspiração 26 é utilizado para puxar os gases de combustão da câmara de combustão 30 através do separador de partículas ciclônico 23 e do(s) trocador(es) de calor 24, 25. O uso de um ventilador de aspiração 26 também mantém uma pressão negativa na câmara de combustão 30 para evitar que os gases de escapem, bem como para garantir que o gás de trabalho expandido seja puxado para a câmara de combustão 30 através da válvula 38 ou do plenum 46 via válvula 48, para mistura com os gases de combustão.

[084] A partida da turbina 22 pode ser realizada deixando a turbina acelerar naturalmente à medida que a temperatura do gás de trabalho aumenta, ou ela pode ser inicializada com um motor de partida. Em uma forma de incorporação, à medida que o gás de trabalho no trocador de calor de alta temperatura 24 é aquecido, ele se expande em direção à turbina de expansão 64 e à turbina do compressor 61. Como a turbina de expansão 64 produz mais trabalho do que o compressor, o eixo girará na direção correta. À medida que o eixo gira e um fluxo de ar surge através da turbina do compressor 61, o ar começa a fluir e o ar comprimido se expande ainda mais, acelerando o fluxo e o sistema ao longo do tempo. Em outra forma de incorporação, um motor de partida é empregado para fazer a turbina 22 e o sistema acelerarem-se mais rapidamente. Em uma forma de incorporação, o gerador 69 também está configurado para operar como um acionador de partida para a turbina 22. Quando a turbina 22 começa a girar, o gás de exaustão aquecido da turbina de expansão fica disponível na linha 65 para fornecer ar secundário, para a válvula 48 e para a porta 47 no separador de partículas 23, e para o ar de combustão primário através da linha 66 para a porta 35 do sistema de combustão. Enquanto a velocidade da turbina está aumentando, o ar de combustão primário alimentado à câmara de combustão 30 também está aumentando. O termopar 36 vai detectar uma alteração na temperatura do gás de exaustão de combustão, e vai enviar um sinal para o controlador 90 para alterar a taxa de alimentação de combustível sólido por meio de uma alteração da velocidade da válvula rotativa 34, para regular o sistema de combustão e continuar o ciclo. Em outra forma de incorporação, a válvula proporcional 38 é controlada para manter o fluxo de ar permitido pela câmara de combustão 25 e pelo separador ciclônico 23. À medida que a taxa de alimentação de combustível aumenta / diminui para atender à demanda de carga, o controle do ar de combustão primário é realizado pela válvula proporcional 38.

[085] À medida que o sistema 100 atinge o equilíbrio térmico, a válvula proporcional 38 é ajustada para permitir que um fluxo de ar suficiente mantenha a temperatura de combustão desejada. O sistema de combustível responde à carga imposta à turbina 22. Em uma forma de incorporação, à medida que a energia é exigida, a turbina 22 puxa o calor do trocador de calor de alta temperatura 24. O sensor de temperatura 50 detecta uma alteração na temperatura dos gases quentes que alimentam o trocador de calor, e solicita que mais ou menos combustível seja queimado, dependendo da demanda de energia. O controlador 90 comanda a válvula rotativa 34 em conformidade, aumentando ou diminuindo sua velocidade em permitir / manter uma energia de combustível suficiente para fornecer o calor necessário para manter a temperatura do ponto de ajuste detectada pelo sensor 50. A válvula proporcional 38 é controlada pelo controlador 90 utilizando diversas entradas de sinal, e um algoritmo e um sinal de controle de posicionamento de Derivada Integral Proporcional (DIP). O sensor de temperatura 36 mede a temperatura de saída da câmara de combustão 30, que é mantida uma temperatura de combustão desejada de cerca de 1150 °C para conseguir uma combustão completa. O sensor de temperatura 68 na saída da turbina de expansão 64 mede a temperatura do gás de trabalho expandido aquecido, que é utilizada pelo controlador 90 para calcular a energia por unidade de massa do gás de trabalho expandido aquecido utilizado para a combustão. Em uma forma de incorporação, é desejável garantir que o sistema 100 opere com uma alta quantidade de excesso de gás de trabalho (por exemplo, o ar ou gás de trabalho aquecido expandido), para que haja sempre mais gás de combustão do que o necessário para a combustão estequiométrica. Como mencionado anteriormente, o excesso de gás de trabalho também é usado para resfriar os gases de combustão até a temperatura desejada do ponto de ajuste para aplicação no trocador de calor de alta temperatura 24. Dependendo da temperatura do ar de combustão, o controlador 90 comanda a válvula proporcional 48 para que abra / feche, para permitir que o ar necessário atinja a temperatura desejada no trocador de calor de alta temperatura 24.

[086] Vantajosamente, em uma forma de incorporação, a turbina 22 está conectada ao trocador de calor de alta temperatura 24 através de um circuito de gás independente, que permite o uso de um método de transferência de calor para o gás de trabalho da turbina, enquanto utiliza combustíveis que não podem ser introduzidos diretamente no combustor da turbina a gás. Os circuitos de gás separados evitam que os produtos de combustão afetem adversamente a seção da turbina de expansão 64, o que por sua vez reduz o custo de manutenção e aumenta a vida dos componentes. Além disso, a transferência indireta de calor permite que o gás de trabalho (ar) fique seco e limpo, e, após expansão na turbina, seja utilizável no ar de combustão e em muitas outras aplicações térmicas. Conforme representado na etapa opcional 220 do processo, a turbina 22 puxa o gás de trabalho limpo (por exemplo, ar do ambiente) para a entrada do compressor 61, onde o gás de trabalho é comprimido. O gás comprimido é alimentado através de uma conexão fluídica 62 à porta de entrada do lado frio 53 do trocador de calor de alta temperatura 24. O gás de trabalho comprimido é aquecido até a temperatura do ponto de ajuste da turbina de expansão 64, através da extração de calor dos gases de combustão que fluem através de um canal separado no trocador de calor 24, conforme descrito anteriormente para a etapa 225 do processo. O gás de trabalho aquecido viaja, a partir da porta do trocador de calor 54, através de uma conexão fluídica 63, para a entrada da turbina de expansão 64. O gás de trabalho quente é então expandido para produzir trabalho utilizável, na forma de um eixo acionado, representado na etapa 230 do processo. Em uma forma de incorporação, o eixo da turbina está conectado a um gerador 69 para converter esse trabalho em energia elétrica. Em outra forma de incorporação, o trabalho utilizável é usado para executar um processo de fabricação. Por exemplo, o trabalho utilizável pode ser usado para acionar uma bomba ou outro processo mecânico, tais como resfriadores mecânicos, compressores, destilação por compressão de vapor, equipamentos de transporte, e similares.

[087] Em uma forma de incorporação, após a expansão, os gases de trabalho quentes da turbina são então utilizados para diversos propósitos primários para melhorar a eficiência e a efetividade do sistema CCE 100. O primeiro propósito consiste nos gases de trabalho quentes sendo empregados para fornecerem ar de combustão a alta temperatura ao sistema de combustão 21, conforme representado na etapa 235 do processo. O gás que sai da turbina de expansão 64 viaja através da conexão fluídica 66, opcionalmente através da válvula proporcional 38 para o alojamento de combustão 30, através da porta de ar de combustão 35. Vantajosamente, em uma forma de incorporação, o ar de exaustão da turbina pode estar tão quente quanto a 600 °C, que é uma temperatura mais alta do que a que normalmente pode ser alcançada com o uso de um pré-aquecedor de ar de combustão nos sistemas CCE existentes. Os sistemas do estado da técnica anterior usam um recuperador para recuperar o calor dentro do ciclo da turbina. Isto é essencial quando a combustão ocorre internamente no ciclo, pois não há outra maneira de recuperar a energia térmica. Para ciclos de queima externos isto é prejudicial, pois a temperatura do ar de exaustão da turbina é significativamente reduzida devido ao pré-aquecimento do ar do compressor. Isto significa que a utilização do ar externo ou do ar da turbina exigiria um trocador de calor adicional para recuperar o calor remanescente nos gases de combustão. As formas de incorporação descritas, que eliminam o uso de um recuperador para recuperar o calor dentro do ciclo, permitem que o ar de exaustão da turbina esteja disponível a temperaturas mais altas do que se um pré-aquecedor de ar de combustão dos sistemas convencionais fosse usado.

[088] Um segundo propósito para o uso do ar de exaustão da turbina é regular e controlar a temperatura dos gases de combustão que entram no trocador de calor de alta temperatura 24, como descrito acima com referência à etapa 215 do processo.

[089] O terceiro objetivo para o uso do ar de exaustão da turbina é fornecer ar limpo e seco a alta temperatura (600 °C) para aplicações de altas e baixas temperaturas, conforme ilustrado na etapa opcional 240 do processo. O gás de trabalho quente sai da turbina 22 através de uma conexão fluídica 67. A conexão fluídica 67 também pode estar acoplada a um sistema térmico externo para utilizar o ar quente. O gás de trabalho de exaustão da turbina pode ser usado para geração de energia de segundo ciclo, por exemplo, em um sistema com CRO com segundo ciclo, para gerar mais trabalho ou eletricidade, aplicações de secagem a alta temperatura onde ar seco e limpo é preferido, secagem de lodo, purificação térmica de água, e aquecimento e resfriamento de espaços. Em uma forma de incorporação, cerca de 50% da energia térmica de entrada de combustão, presente no gás de trabalho, está disponível para uso em um ciclo secundário. Por exemplo, embora a função principal do gás de trabalho expandido aquecido da turbina de expansão 61 seja prover sua mistura com os gases de combustão através da porta 47, e ar de combustão para a câmara de combustão 30, o gás de trabalho quente restante pode ser empregado para transferência de calor adicional ou geração de trabalho. Em uma forma de incorporação, a temperatura do gás de trabalho na linha 67 é de cerca de 600 °C. Vantajosamente, para um sistema 100 dimensionado para gerar 100 kW de energia elétrica, 40 kW a 100 kW adicionais de energia podem ser gerados a partir de um processo de segundo ciclo. Por exemplo, um CRO de baixa temperatura utilizando o calor residual disponível pode produzir 40 kW adicionais, enquanto que um CRO de alta temperatura pode produzir 75 kW adicionais. Ciclos de maior eficiência, tais como em motores de CO2 super críticos ou com ciclos regenerativos fechados de Brayton ou de Stirling, podem produzir mais de 100 kW de energia adicional. Mais gás de trabalho resfriado que sai do processo de segundo ciclo pode ser exaurido. Além disso, em algumas formas de incorporação, após o processo de segundo ciclo, o gás de trabalho resfriado pode ser utilizado em qualquer processo de temperatura mais baixa adicional para recuperar o calor residual, e pode ainda ser reciclado para iniciar o processo novamente.

[090] Em uma forma de incorporação, os gases de combustão que saem do trocador de calor de alta temperatura 24 na porta 52 podem passar através de um trocador de calor de baixa temperatura 25 para recuperar mais calor dos gases de combustão resfriados, para aplicações térmicas de temperatura mais baixa, conforme representado na etapa opcional 245 do processo. Por exemplo, em uma forma de incorporação, os gases de combustão resfriados podem estar a temperaturas de cerca de 300 °C e podem ser usados para aplicações de baixa temperatura, incluindo, mas sem estarem limitadas a, produção de água quente, de vapor de baixa pressão, geração de energia de ciclo restante, resfriamento por absorção, e similares. Outros gases de combustão resfriados saem do trocador de calor de baixa temperatura 25, que podem ser exauridos ou reciclados, se desejado.

[091] O termo "cerca de" está destinado a incluir o grau de erro associado com a medição de uma quantidade particular com base no equipamento disponível no momento do depósito deste pedido de patente. Por exemplo, "cerca de" pode incluir um intervalo de ± 8%, ou ± 5%, ou ± 2% de um determinado valor.

[092] A terminologia aqui usada tem o objetivo de descrever apenas formas de incorporação particulares e não está destinada a ser limitativa. Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes em conexão com apenas um número limitado de formas de incorporação, deve ser prontamente entendido que a invenção não está limitada a tais formas de incorporação descritas. Qualquer número de variações, alterações, substituições ou arranjos equivalentes não descritos até agora, mas que são compatíveis com o espírito e o escopo das reivindicações, são possíveis. Além disso, embora várias formas de incorporação tenham sido descritas, deve ser entendido que os aspectos da invenção podem incluir apenas algumas das formas de incorporação descritas. Por conseguinte, as formas de incorporação não devem ser consideradas como estando limitadas pela descrição anterior, sendo apenas limitadas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims (15)

1. SISTEMA COMBINADO DE CALOR E ENERGIA (CCE), tal sistema CCE compreendendo: um sistema de combustão (21) tendo uma câmara de combustão (30) e um mecanismo de alimentação configurado para alimentar combustível sólido para a câmara de combustão (30), tal câmara de combustão (30) tendo uma entrada de ar de combustão e um escape de gás de combustão, caracterizado por a câmara de combustão estar configurada para receber um fluxo de gás secundário aquecido expandido na entrada de ar de combustão, para a combustão do combustível sólido; uma válvula proporcional (38) acoplada operacionalmente em série com a entrada de ar de combustão, operável para controlar o fluxo do gás secundário aquecido expandido que passa por ela; um plenum de exaustão (46) operativamente conectado a câmara de combustão (30), e configurado para dela receber os gases de combustão, tal plenum de exaustão (46) incluindo uma porta de gás secundária (47) operável para direcionar o gás secundário aquecido expandido para o plenum de exaustão (46), para mistura com os gases de combustão; um primeiro trocador de calor (24) acoplado operacionalmente ao plenum de exaustão (46), configurado para receber do plenum os gases de combustão misturados, com o primeiro trocador de calor de alta temperatura sendo operável para transferir calor dos gases de combustão misturados para um gás secundário comprimido; uma turbina a gás (22) tendo uma seção de compressão (61) e uma seção de expansão (64), operativamente conectada a um eixo de acionamento, tal turbina a gás (22) estando configurada para receber um gás secundário em uma entrada da seção de compressão (61) e comprimir o gás secundário, e para direcionar o gás secundário comprimido a uma entrada (51) do primeiro trocador de calor; a turbina a gás (22) está ainda configurada para receber o gás secundário comprimido aquecido em uma entrada da seção de expansão (64), para expandir o gás secundário comprimido aquecido e gerar trabalho, com uma saída da seção de expansão (64) da turbina a gás (22) estando operacionalmente acoplada à porta de gás secundária (47) do plenum de exaustão (46), e acoplada à entrada de ar de combustão (35) da câmara de combustão (30); e um gerador (70) conectado operacionalmente ao eixo de acionamento da turbina a gás (22), configurado para gerar eletricidade com o trabalho gerado na seção de expansão (64).

2. SISTEMA CCE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir ainda um mecanismo de controle (34) para controlar uma taxa de alimentação do combustível sólido na câmara de combustão (30).

3. SISTEMA CCE, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o mecanismo de controle (34) incluir o mecanismo de alimentação e uma válvula de controle.

4. SISTEMA CCE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por incluir ainda um sensor de temperatura (36), tal sensor de temperatura (36) sendo operável para detectar uma temperatura do gás de combustão no escape de gás de combustão.

5. SISTEMA CCE, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o sensor de temperatura (36) ser um termopar, e / ou um detector de infravermelho, ou um detector semicondutor.

6. SISTEMA CCE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por incluir adicionalmente um separador de partículas (23) conectado operativamente à câmara de combustão (30) e configurado para dela receber os gases de combustão, tal separador de partículas (23) tendo uma entrada e um escape, o plenum de exaustão (46) operativamente conectado ao escape do separador de partículas; o separador de partículas (23) sendo um separador ciclônico (41, 42), tal separador ciclônico estando operativamente acoplado a um funil (43) para remoção de material particulado.

7. SISTEMA CCE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma válvula proporcional secundária (48) operacionalmente conectada a um controlador (90), estando configurada para controlar o fluxo do gás secundário aquecido expandido para a câmara de combustão e a válvula proporcional secundária (48) controlar o fluxo do gás secundário aquecido expandido, para mistura com os gases de combustão, com base em uma temperatura do gás secundário aquecido expandido e / ou do gás de combustão e / ou dos gases de combustão misturados.

8. SISTEMA CCE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a válvula proporcional (38) estar operacionalmente conectada a um controlador (90), estando configurada para controlar o fluxo do gás secundário aquecido expandido para a câmara de combustão (30), a válvula proporcional (38) controlar o fluxo do gás secundário aquecido expandido para a câmara de combustão (30), com base em uma temperatura do gás secundário aquecido expandido e / ou do gás de combustão e / ou dos gases de combustão misturados ou do gás secundário comprimido aquecido, e a válvula proporcional (38) controlar o fluxo do gás secundário aquecido expandido para a câmara de combustão (30), com base na temperatura do gás secundário comprimido aquecido expandido.

9. SISTEMA CCE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender ainda um segundo sensor de temperatura (50), tal segundo sensor de temperatura (50) sendo operável para detectar uma temperatura dos gases de combustão misturados; um terceiro sensor de temperatura (68), tal terceiro sensor de temperatura (68) sendo operável para detectar uma temperatura do gás secundário aquecido expandido; e um controlador (90) operacionalmente conectado pelo menos a um primeiro sensor de temperatura (36), a um segundo sensor de temperatura (50), ou a um terceiro sensor de temperatura (68), tal controlador (90) também estando operativamente conectado pelo menos a um mecanismo de controle (34), à válvula proporcional (38), ou a uma válvula de gás, com o dito controlador (90) estando configurado para controlar pelo menos uma taxa de alimentação do combustível sólido para a câmara de combustão (30) e / ou uma taxa de fluxo do gás secundário aquecido expandido para a câmara de combustão (30), ou uma temperatura dos gases de combustão misturados.

10. SISTEMA CCE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um soprador (32) e um aquecedor (33) operacionalmente conectados à câmara de combustão (30), com o soprador (32) e o aquecedor (33) estando configurados para operarem para iniciarem a combustão do combustível sólido na câmara de combustão (30); e compreender ainda um ventilador de aspiração indutor de exaustão (26) operacionalmente conectado à câmara de combustão (30), tal ventilador de aspiração indutor de exaustão (26) estando configurado para manter a câmara de combustão (30) a uma pressão mais baixa do que a pressão do gás secundário aquecido expandido; e incluir ainda um segundo trocador de calor (25) operacionalmente conectado ao primeiro trocador de calor (24), estando configurado para receber os gases de combustão misturados que foram resfriados no primeiro trocador de calor (24), tal segundo trocador de calor (25) sendo operável para transferir calor dos gases de combustão misturados resfriados recebidos para um fluido de trabalho secundário, para uma aplicação secundária.

11. MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM SISTEMA COMBINADO DE CALOR E ENERGIA (CCE), tal sistema CCE conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, o mencionado método caracterizado por compreender as etapas de: iniciar (205) um processo de combustão na câmara de combustão (30) e queimar o combustível sólido com o gás secundário aquecido expandido, e gerar o gás de combustão; regular uma temperatura (215) do gás de combustão, através da mistura do gás de combustão com o gás secundário aquecido expandido, para produzir os gases de combustão misturados; comprimir o gás secundário (220) usando a seção de compressão para formar o gás secundário comprimido; transferir calor (225) dos gases de combustão misturados para o gás secundário comprimido, no primeiro trocador de calor, para formar o gás secundário comprimido aquecido; expandir o gás secundário comprimido aquecido na seção de expansão, para formar o gás secundário aquecido expandido, e desse modo gerar trabalho; e empregar (230) o trabalho gerado utilizando o gerador.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender ainda pelo menos o controle de uma taxa de alimentação do combustível sólido na câmara de combustão (30), o controle de uma taxa de fluxo do gás secundário aquecido expandido para a câmara de combustão (30), ou o controle da regulação da temperatura do gás de combustão, em que pelo menos o controle da taxa de alimentação do combustível sólido e / ou o controle da taxa de fluxo do gás secundário aquecido expandido e / ou o controle da regulação da temperatura do gás de combustão, está baseado pelo menos em uma temperatura do gás secundário aquecido expandido e / ou em uma temperatura dos gases de combustão misturados e / ou em uma temperatura dos gases de combustão, ou no trabalho gerado, em que o controle da regulação da temperatura dos gases de combustão inclui o controle do fluxo do gás secundário aquecido expandido, e a mistura do gás secundário aquecido expandido com o gás de combustão após a separação de partículas no separador de partículas.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado por compreender ainda a medição de uma temperatura dos gases de combustão de alta temperatura, a medição de uma temperatura dos gases de combustão misturados e a medição de uma temperatura do gás secundário aquecido expandido.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o primeiro trocador de calor ocorrer ser um trocador de calor de contrafluxo e o gás secundário aquecido expandido estar a uma temperatura de 600 °C, e ser injetado diretamente no processo de combustão.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o processo de combustão atingir uma temperatura pelo menos de 1000 °C, 1050 °C, 1100 °C, ou 1150 °C, e incluir ainda a remoção de material particulado (210) do gás de combustão com o separador de partículas.