BRPI0301313B1 - Processo para produzir energia em uma usina de polpa - Google Patents

Description

PROCESSO PARA PRODUZIR ENERGIA EM UMA. USINA DE POLPA

Nas usinas de polpa química, a casca de madeira é primeiramente removida dos toros, depois do que a madeira restante é cortada em aparas e processada quimicamente (cozinhada) em fibras. A lignina e outros materiais de carboidratos são dissolvidos a partir das aparas de madeira durante a cocção em liquido de cocção alcalino. A lignina e o material de carboidratos e os componentes do líquido de cocção formam um líquido de refugo chamado de líquido negro. 0 rendimento da madeira em fibra é geralmente menor do que 50%, e tipicamente de rendimentos de 46 a 48%. Depois da cocção, os produtos químicos são recuperados a partir do líquido negro pela queima do líquido negro em uma caldeira de recuperação isoladamente ou em conjunto com outras correntes de "refugos". O processo de queima na caldeira é exotérmico e a energia liberada é recuperada como vapor superaquecido pressurizado. A energia de vapor é recuperada em uma turbina a vapor para produzir energia elétrica e vapor de baixa pressão para outras necessidades do processo de polpa. O líquido negro e outras correntes de "refugos" têm sido reconhecidos como combustíveis de bio-massa, e constituem fontes de combustível alternativas. Essas fontes de combustível alternativas reduzem a necessidade, em uma usina de polpa, dos combustíveis convencionais, tais como carvão e óleo, e reduzem dessa maneira a quantidade de gases de estufa produzidos pela produção de energia utilizando-se combustíveis convencionais. Os combustíveis de biomassa podem ser usados para proporcionarem vapor sob alta pressão e temperatura efetivas, o que constitui uma vantagem na eficiência de geração de potência.

Tradicionalmente, a energia é produzida em uma usina de polpa pela combustão de líquido negro em uma caldeira de recuperação, e os refugos de madeira e casca em uma caldeira auxiliar. A casca do material de madeira bruta e a substância orgânica do líquido negro gerado em conjunto normalmente suprem toda a demanda de energia da usina de polpa. Se for necessária mais e-nergia na usina de polpa, combustível adicional poderá ser comprado. 0 combustível adicional é queimado com a casca de madeira na caldeira auxiliar. Convencionalmente, energia é produzida em uma usina de polpa da seguinte maneira: uma caldeira de recuperação e uma caldeira auxiliar, em que casca de madeira de refugo proveniente da usina é queimada para gerar vapor de alta pressão superaquecido. 0 vapor gerador é forçado através de uma turbina ou turbinas de vapor de contrapres-são e o vapor liberado é utilizado para proporcionar calor para a usina. A turbina e um gerador conectado à mesma produzem a eletricidade necessária para o acionamento da usina. A madeira contém pequenas quantidades de potássio (K) e cloro (Cl). Estes elementos permanecem no líquido negro durante a cocção. Na caldeira de re- cuperação, estes elementos são enriquecidos na poeira de cinzas e aumentam a condição corrosiva do gás de descarga, especialmente no superaquecedor. A condição corrosiva do Cl e do K aumenta com a temperatura. A condição corrosiva do Cl e do K impõe um limite de temperatura máxima do vapor gerado na caldeira de recuperação. Este limite para o vapor superaquecido é tipicamente de 400° a 490°C, na dependência do teor de cloro e potássio. Com materiais especiais ou com líquidos dotados de um teor de Cl e de K muito baixo, têm sido utilizadas temperaturas de vapor de até 520°C. Como a condição corrosiva do Cl e do K geralmente requer que a temperatura do vapor superaquecido seja mantida relativamente baixa, a pressão de vapor também é baixa. Estas limitações de temperatura resultam em baixo rendimento de potência a partir do calor gerado na caldeira de recuperação, em comparação com as caldeiras de força alimentadas com carvão, gás natural ou óleo.

Estas limitações de temperatura no vapor na caldeira de recuperação não são tão estritamente válidas com a casca que se origina de toros, mas a poeira de cinzas proveniente da combustão de casca em uma caldeira de cascas poderá conter também cloro e potássio. Como o teor de enxofre da casca é muito baixo, o potássio reage na caldeira de cascas com o cloro e forma K-Cl, que por sua vez pode resultar em corrosão do superaquecedor. O fluxo calorimétrico na casca também é muito mais baixo do que no fluxo de líquido ("refugo") negro, em decorrência do fluxo de massa ser muito mais baixo.

Estudaram-se novos ciclos de potência para substituírem o ciclo de caldeira de recuperação e turbina de vapor tradicional, e a gaseificação pressurizada do líquido de "refugo" e casca parece ter possibilidades promissoras. Não obstante, um desenvolvimento muito maior parece ser necessário antes que estas tecnologias tenham a confiabilidade e desempenho necessários. Gaseificação atmosférica de madeira e casca em gaseificadores de leito fluidificado encontra-se em uso comercial desde 1983 nas usinas de polpa para produzir gás combustível a ser usado nos fornos de requeima de cal como um substituto dos combustíveis fósseis. Entretanto, no melhor do conhecimento dos requerentes, não foram desenvolvidos processos eficientes para aumentarem a temperatura e pressão do vapor superaquecido produzido em uma instalação de caldeira de recuperação de uma usina de polpa, de uma maneira tal que nenhuma corrosão ocorra ou que a taxa de corrosão fique em níveis aceitáveis. Consequentemente, há muito que se sente a necessidade de um processo para aumentar o rendimento de potência na produção de energia na usina de polpa sem os problemas de corrosão, e ao mesmo tempo reduzir ao mínimo a necessidade de combustíveis fósseis nas usinas de polpa.

De acordo com uma primeira concretização da invenção, vapor é aquecido em uma caldeira de recu- peração a um grau tal que não ocorre corrosão a alta temperatura. 0 vapor é aquecido abaixo de 520°C e otimamente entre 480 e 500°C. Depois disso, o vapor é su-peraquecido a de 500° a 600°C (e otimamente a 520°C a 560°C) em um superaquecedor num processo de combustão especial em que combustível limpo é queimado de maneira a evitar corrosão a alta temperatura. 0 combustível limpo é gerado por gaseificação utilizando-se um combustível à base de madeira. A presente invenção consiste, em um exemplo, em um processo para produzir energia em uma usina de polpa que compreende as seguintes etapas: a) queimar líquido de refugo de processo de formação de polpa (tal como líquido negro proveniente de formação de polpa Kraft) na fornalha de uma caldeira de recuperação para gerar gases de combustão, b) recuperar calor a partir dos gases de combustão pela produção de vapor na caldeira de recuperação, c) gaseificar madeira, casca ou refugos de madeira em um gaseificador para gerar um gás combustível, d) queimar pelo menos parte do gás combustível em uma caldeira de superaquecimento, e e) supera-quecer o vapor saturado e parcialmente superaquecido na caldeira de superaquecimento utilizando-se energia térmica proveniente da combustão do gás combustível. A invenção pode gaseificar combustíveis à base de madeira atmosfericamente sólidos, tais como madeira, aparas de madeira, aparas de casca, madeira a-longada, aparas planas, pó de serra, resíduos flores- tais à base de madeira, utilizando-se um processo de gaseificação conhecido para produzir um gás combustível. Estes gases combustíveis são, pelo menos em parte, queimados em uma caldeira de superaquecimento separada e utilizados para superaquecerem o vapor produzido em uma caldeira de recuperação.

Em uma outra concretização da invenção, a temperatura do vapor saturado e/ou parcialmente supera-quecido produzido pelo superaquecedor da caldeira de recuperação é limitada a um nível em que não ocorre qualquer corrosão da caldeira ou a taxa de corrosão é aceitavelmente baixa. A temperatura limite depende das condições de corrosão na caldeira de recuperação. Em condições escandinavas, o limite de temperatura encontra-se na faixa de tipicamente 480°C a 500°C. Na prática, a faixa limite de temperatura de corrosão é ampla, por exemplo, de 400° a 520°C, por causa das variações dos níveis de Cl e de K no líquido negro e da poeira de cinzas resultante e do chamado "transporte", que é um tipo de poeira de cinzas que contém carbonizado. A etapa de superaquecimento final ocorre em um superaquecedor separado, onde a temperatura de vapor alcança o nível final, tipicamente 450° a 600°C, preferencialmente 500° a 560°C, e com maior preferência 530° a 560°C. Na dependência do desenvolvimento dos materiais de superaquecedor, uma temperatura tão alta quanto 600°C poderá ser um limite aceitável. O gás combustível gerado a partir de mate- rial de madeira contém compostos alcalinos, tais como compostos de sódio e potássio, e compostos que contêm cloro, os quais podem formar compostos de cloreto alcalino, tais como NaCl e KC1. Os compostos de cloreto alcalino podem provocar corrosão sob as altas temperaturas que prevalecem no superaquecedor. O gás combustível proveniente da gaseificação de madeira ou de cascas poderá tornar-se não corrosivo pela adição de enxofre ou de gás que contém enxofre, tais como gases não condensáveis provenientes de cocção ou separação de condensado impuro, e pela injeção de óleo que contém enxofre no fluxo de gás combustível proveniente do ga-seificador. Uma outra técnica para se reduzir a condição corrosiva do gás combustível consiste em queimar os combustíveis que contêm enxofre mencionados anteriormente em queimadores de gás da caldeira de superaquecimento. A limpeza para remoção da poeira alcalina em relação ao gás combustível antes da combustão no superaquecedor também deverá proporcionar condições não corrosivas sob temperaturas mais altas de metal no superaquecedor. Algum do gás combustível pode ser usado em um forno de cal para substituir combustíveis fósseis tais como óleo e gás, resultando em um aperfeiçoamento no equilíbrio de gás de estufa da usina.

De acordo com uma outra concretização da presente invenção, proporciona-se um sistema que é adequado para produzir energia em uma usina de polpa. 0 sistema compreende: uma caldeira de recuperação a qual é dotada de uma fornalha para queimar líquido negro para produzir gases de combustão; superfícies térmicas na caldeira de recuperação para recuperarem calor proveniente dos gases de combustão para gerar vapor; uma caldeira de superaquecimento conectada às superfícies térmicas da caldeira de recuperação para introduzir o vapor na caldeira de superaquecimento; um gaseificador para gaseificar combustível de madeira sólida, tal como casca, para produzir um gás combustível, e um condutor para alimentar o gás combustível proveniente do gaseificador para a caldeira de superaquecimento para queimar o gás na mesma.

Diversas vantagens poderão ser conseguidas por meio da invenção, incluindo (sem limitação), as seguintes : A. Pelo aumento da pressão e da temperatura de operação do vapor recuperado a partir do processo de recuperação de líquido de refugo por meio da caldeira de superaquecimento, a eficiência elétrica global da usina é aperfeiçoada, e mais potência é gerada pelo calor recuperado no vapor; e B. Quando se utiliza casca ou outros refugos de madeira como uma fonte de calor, não é gerada qualquer emissão de bióxido de carbono, ao contrário das situações conhecidas em que são utilizados combustíveis fósseis, tais como gás natural ou óleo combustível pesado. Como é conhecido, uma moderna usina de polpa é mais do que auto-sustentável em relação a ener- gia, mesmo que não sejam utilizados casca e refugos de madeira correspondentes. A presente invenção permite a utilização de toda ou de uma parte da casca de madeira produzida em uma usina de polpa.

Em seguida, a invenção encontra-se descrita de maneira mais detalhada com referência à Figura 1 anexa, que representa um diagrama esquemático de uma unidade para recuperação de energia a partir de líquido de refugo em uma usina de polpa. A Figura 1 ilustra uma unidade para recuperação de energia a partir de líquido de refugo que compreende um gaseificador 10, uma caldeira de recuperação de líquido de refugo 14, uma seção de recuperação de calor 16 conectada à mesma, uma caldeira de superaquecimento separada 18, uma turbina de vapor 20, um gerador 22, e um forno de requeima de cal 24. Líquido negro é pulverizado por meio de bocais 26 na caldeira de recuperação 14. Ar de combustão é alimentado à caldeira de recuperação através de linhas 28 sob diversos níveis da caldeira. Matéria orgânica fundida (um produto da combustão do líquido negro) flui através de um leito de carbonizado 30 que fica acumulado no fundo da caldeira de recuperação, e para uma saída 32 que descarrega para dentro de um tanque de dissolvimento (não representado).

Na caldeira de recuperação 14 e na seção de recuperação de calor 16, o calor é recuperado a partir dos gases de combustão por meio das superfícies de vaporização 34 e de pré-aquecedores de água 36. Os gases de combustão são descarregados da caldeira através de um conduto 38. 0 vapor pode ser parcialmente aquecido na caldeira de recuperação por meio das superfícies de superaquecimento 40. É preferível secar o material de madeira a ser gaseificado. Os gases gerados a partir da madeira seca contêm mais componentes combustíveis, do que os gases que são produzidos a partir de madeira úmida. Uma parte de combustíveis mais elevada nos gases aumenta a eficiência da combustão. O material de madeira úmido pode ser secado pelos gases de combustão provenientes da caldeira de recuperação ou um forno de requei-ma de cal. Por exemplo, casca de madeira pode ser secada com gases de combustão provenientes de um forno de requeima de cal. Esse processo encontra-se descrito na patente U.S. N° 5.103.743, a qual fica incorporada neste contexto por referência.

Combustível de madeira seca, tal como casca, é alimentado através de uma linha 12 para o estágio de gaseificação 10, que poderá ser um gaseificador de leito fluido circulante (CFB). Outros gaseificadores amplamente conhecidos poderão ser igualmente aplicáveis. O gás combustível gerado no gaseificador flui através de uma linha 44 para a caldeira de superaquecimento 18. Entretanto, uma parte do gás combustível poderá fluir através da linha 46 para o forno de requeima de cal 24. A corrosão das superfícies térmicas 48 na caldeira de superaquecimento é reduzida pela combustão adicional de combustível sulfuroso, preferentemente gases não condensáveis provenientes da usina de cocção e/ou proveniente do processo de separação de condensado impuro. 0 combustível sulfuroso é alimentado através da linha 54 e é adicionado ao fluxo de gás combustível na linha 44 ou em queimadores 56. O enxofre reage com o álcali no gás combustível para evitar ou para reduzir a formação de compostos de cloro alcalino que poderíam, se deixados formarem-se, provocar a corrosão na caldeira de superaquecimento, especialmente enquanto sob altas temperaturas. A adição de enxofre aos combustíveis para inibir a corrosão é econômica, simples e, assim, pode ser um processo utilizado principalmente para reduzir a corrosão da caldeira. Muito embora outros processos de inibição de corrosão conhecidos e mais eficientes possam ser utilizados, esses processos de uma maneira geral requerem que o gás de combustão seja purificado. Os dispositivos de purificação aumentam os custos de capital da usina de formação de polpa. 0 gás de combustão proveniente do gaseificador 10 pode ser purificado em uma unidade de purificação 42 e, então, fluir para a caldeira de superaquecimento 18 ou para o forno de requeima de cal 24. A unidade de purificação remove do gás os componentes alcalinos, os quais são prejudiciais nos subseqüentes processos de redução de corro- são. O ar de combustão é alimentado à caldeira de superaquecimento através de uma linha 46. A combustão no superaquecedor 18 é normalmente completa com excesso de ar otimizado, mas também é possível combustão estequio-métrica ou redutora, e poderá ser preferível em determinadas aplicações.

As superfícies de superaquecimento 48 ficam dispostas na caldeira de superaquecimento de maneira a promoverem o superaquecimento do vapor saturado e/ou parcialmente superaquecido proveniente da caldeira de recuperação, através de tubos de vapor 52. O vapor superaquecido é conduzido através de uma linha 50 para a instalação de turbina de vapor. Uma turbina 20 e um gerador 22 na instalação produzem energia elétrica.

Os gases de saída provenientes da caldeira de superaquecimento 18 são alimentados para a caldeira de recuperação, preferentemente para a entrada do superaquecedor 40, onde eles são misturados com a corrente de gás de combustão principal proveniente da fornalha da caldeira. Outras localizações possíveis para as entradas de gás de saída incluem toda a área a partir da parte inferior da fornalha até à entrada do economiza-dor 16. Os gases de saída podem ser alimentados à fornalha através das linhas 58 e 28.

Os gases de combustão provenientes da caldeira de superaquecimento 18 podem ser usados para formarem um padrão de fluxo de gás de combustão, proveniente da fornalha 15 da caldeira de recuperação sobre o "bico" 17, para aperfeiçoarem a distribuição de gás e transferência de calor dentro dos superaquecedores, ou para gerarem as condições requeridas para controle de emissão, tais como a janela de temperatura ótima para redução não catalítica (SNCR) para reduzir emissões de ΝΟχ, ou para crescimento de dimensão de partícula com a finalidade de se reduzirem as emissões de partículas finas (dimensão menor do que 2,5 micrômetros). Uma outra possibilidade consiste em utilizarem-se estes gases de combustão para conformarem o padrão de fluxo na fornalha 15 para aperfeiçoarem a mistura, por exemplo, introduzir estes gases por intermédio de orifícios localizados verticalmente, tal como se encontram descritos na patente européia 668.983 (incorporada neste contexto por referência), em vez de ar ou misturados com ar. A combustão na caldeira de superaquecimento 18 pode ser realizada também sob condições estequio-métricas. Os gases reduzidos assim gerados podem ser introduzidos nos gases de combustão provenientes da fornalha 15 para reduzirem as emissões de óxido de nitrogênio nos gases de combustão provenientes da fornalha. É sabido que determinados combustíveis são mais eficientes do que outros na requeima para reduzir o teor de óxidos de nitrogênio nos gases de combustão provenientes da fornalha de uma caldeira de recuperação. Combustíveis de requeima também podem ser introduzidos no(s) fluxo(s) de gás de combustão provenientes da caldeira de superaquecimento para aperfeiçoar a mistura de gases. A invenção não deverá ser considerada como limitada à concretização ilustrada e descrita anteriormente, mas poderá ser modificada e variada dentro do escopo e espirito da invenção, tal como definidos pelas reivindicações seguintes. Por exemplo, a gaseificação e o superaquecimento poderão ser realizados sob uma pressão elevada, pelo que são alcançadas as vantagens gerais de uma instalação pressurizada.

Claims (13)

1 - Processo para produzir energia em uma usina de polpa dotada de um gaseificador, uma caldeira de recuperação, e uma caldeira de superaquecimento, o referido processo compreendendo: a) queimar líquido de refugo proveniente de um processo de formação de polpa na fornalha de uma caldeira de recuperação para gerar gases de combustão; b) recuperar calor a partir dos gases de combustão para produzir vapor na caldeira de recuperação; e e) alimentar o vapor proveniente da caldeira de recuperação para a caldeira de superaquecimento e superaquecer o vapor na caldeira de superaquecimento para produzir vapor superaquecido, car acter i z ado pelo fato de que compreende as etapas adicionais de: c) gaseificar um material sólido à base de madeira em um gaseificador, para produzir um gás combustível; e d) queimar pelo menos parte do gás combustível em uma caldeira de superaquecimento.

2 - Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vapor é superaquecido a uma temperatura numa faixa de 450 a 600 graus Celsius.

3 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a limpeza do gás combustível proveniente da etapa (c) antes da etapa (d).

4 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que um combustível que contém enxofre é queimado com o gás combustível na etapa (d).

5 - Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o combustível que contém enxofre é um gás não condensãvel gerado pela usina de polpa.

6 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a queima do gás combustível é realizada sob condições super estequiométricas.

7 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que os gases de combustão são gerados na etapa (d) e os gases de combustão fluem para uma fornalha da caldeira de recuperação.

8 - Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os gases de combustão fluem para a fornalha da caldeira de recuperação para aumentarem a mistura de gases na fornalha.

9 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a queima do gás combustível é realizada sob condições sub-estequiométricas, e os gases de combustão são gerados e fluem para uma fornalha da caldeira de recuperação.

10 - Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os gases de combustão gerados na etapa (d) são misturados com os gases de combustão gerados na etapa (a).

11 - Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma parte do gás combustível é queimada em um processo de requeima de cal.

12 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o material sólido à base de madeira é secado antes da gaseificação.

13 - Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o material sólido à base de madeira é casca.