BRPI0513721B1 - método e equipamento para recuperar calor a partir de um gás de exaustão - Google Patents

Abstract

método e equipamento para recuperar calor a partir de um gás de exaustão a presente invenção refere-se a um método e equipamento para recuperar calor a partir de gás de exaustão removido de um processo industrial, tac como um processo de eletrólise para a produção de alumínio. o calor é recuperado por meio de um sistema de extração/sucção onde o gás de exaustão contém partículas e/ou poeira. o calor é recuperado á medida que o gás de exaustão é posto em contato com elementos de recuperação de calor. as condições de fluxo e o projeto dos elementos de recuperação de calor são tais que os depósitos de poeira e/ou partículas sobre as superfícies estabelecidas são mantidos em um nível limitado, estável. em modalidades preferidas, os elementos de recuperação de calor têm uma seção transversal circular ou elíptica estendida, e podem ser equipados com aletas ou nervuras.

Description

“MÉTODO PARA RECUPERAR CALOR A PARTIR DE UM GÁS DE EXAUSTÃO” A presente invenção trata de um método e equipamento para recuperação de calor a partir de gás de exaustão de uma usina de processamento, por exemplo gás bruto proveniente de uma usina de eletrólise para a produção de alumínio. Tal gás de exaustão pode, antes dele ser limpo, conter poeira e/ou partículas que vão formar depósitos sobre o equipamento de recuperação de calor e assim reduzir a eficiência da recuperação de calor a um nível baixo, indesejado.

Histórico Vários processos industriais produzem gases de exaustão que podem estar contaminados por partículas, poeira e outras espécies que podem causar incrustação em equipamento de recuperação de energia. Tal incrustação vai implicar em eficiência reduzida, e vai requerer manutenção extensa tal como limpeza das superfícies expostas ao fluxo de gás. Assim, unidades de recuperação de energia são colocadas a jusante uma usina de limpeza de gás, depois que o gás tiver sido limpo. Com respeito a otimizar a recuperação de energia, é de interesse organizar as unidades de recuperação tão próximo do processo industrial quanto possível, onde o conteúdo de energia no gás de exaustão está no seu máximo. Isto implica que as unidades de recuperação de energia têm que ser organizadas a montante da usina de limpeza de gás, porque tais usinas ficam frequentemente localizadas relativamente distantes do processo industrial. A US 4.339.249 descreve um trocador de calor para recuperação de energia calorífica a partir de gases residuais contendo poeira. O trocador é construído para recuperar muito da poeira arrastada nos gases e inclui um duto oco através do qual os gases residuais passam, e que contem um primeiro e um segundo feixes de tubos dispostos um depois do outro e uma superfície de coleta de poeira entre eles. O conteúdo de calor nos gases residuais é transferido para água passando através dos dois feixes de tubos e a poeira é depositada sobre a superfície de coleta de poeira. Os tubos nos feixes são dispostos em uma configuração em serpentina e o primeiro feixe é construído de um tubo de superfície lisa disposto para remover calor dos gases contendo poeira a montante da superfície de coleta de poeira. Assim, quando os gases alcançam o feixe de tubos aletados, é dito na publicação que nenhuma deposição (logo entupimento) dos espaços estreitos entre as aletas vai ocorrer. Assim, a partir desta citação, aprende-se que os gases contendo poeira devem ser tratados em uma primeira etapa de resfriamento e depois em uma etapa de separação antes de entrar na seção compreendendo um segundo feixe de tubos aletados de um tubo (ou tubos) flangeado(s).

Por exemplo, o gás de exaustão proveniente de fomos de eletrólise de alumínio contém grandes quantidades de energia a um nível de temperatura relativamente baixo. Esta energia é utilizada correntemente só a uma temperatura extensão, mas ele pode ser usado para fins de aquecimento, fins de processamento e produção de energia se soluções tecnicamente e economicamente aceitáveis para recuperação de calor são estabelecidas. O nível de temperatura alcançado no fluido aquecido é decisivo para o valor e a utilidade da energia térmica recuperada. O calor deve portanto ser extraído do gás de exaustão a uma temperatura do gás de exaustão tão alta quanto possível. Outros exemplos de processos industriais que produzem grandes volumes de gás de exaustão contendo poeira/partículas são: indústrias de usina de fusão de ferro, de ligas e outras que tipicamente operam com gases de exaustão contendo poeira a 300°C e acima, e a seção de baixa temperatura na incineração de lixo (ou seja, seções economizadora e de preaquecimento de ar) que tipicamente operam a 300°C e abaixo. O gás de exaustão proveniente de fomos de eletrólise é transportado através de um sistema de sucção por meio de ventoinhas, e o consumo de energia das ventoinhas depende do fluxo em volume de gás de exaustão e da queda de pressão no sistema. O consumo de energia pode ser reduzido por uma redução destas quantidades. O resfriamento do gás de exaustão vai contribuir para a taxa de fluxo em volume reduzida e queda de pressão, com potência reduzida da ventoinha como uma conseqüência. A maior redução de queda de pressão é alcançada resfriando o gás de exaustão tão próximo das células de alumínio quanto possível.

Quando se melhora ou se escalona um processo industrial, por exemplo corrente (amperagem) aumentada em relação a um dado projeto de célula em uma usina de eletrólise de alumínio, a temperatura do gás bruto e assim sua pressão dentro da superestrutura vão aumentar, pois vai haver mais calor presente acima do topo da célula. Isto pode resultar em perfuração da célula, o seja, o mesmo nível de pressão vai estar presente no lado de dentro do que aquele no lado de fora da célula. Com esta perfuração, a emissão de gases de processo para o corredor de produção vai aumentar.

Este problema pode ser resolvido de três modos: - Realçar a encapsulação no topo da célula que pode ser difícil na prática. - Aumentar a sucção instalando capacidade mais alta de ventoinha. Para evitar grande queda de pressão nos canais de gás bruto, estes devem ser aumentados de tamanho também. A usina de limpeza de gás terá que ser re-projetada para evitar eficiência reduzida ou componentes de sobrecarga no processo de limpeza de gás. No total esta solução será cara com respeito a tanto a investimento quanto a custos de operação. - Resfriar o gás cru a montante das ventoinhas junto com recuperação de calor; uma solução que vai reduzir tanto a taxa de fluxo em volume de gás bruto e a queda de pressão no sistema de canal e usina de limpeza de gás. A sucção pode ser assim aumentada sem a necessidade de mudar as dimensões de canais e da usina de limpeza de gás. A presente invenção pode ser utilizada de acordo com a solução técnica mencionada por último que vai ser a mais econômica pois o calor removido do gás bruto pode ser utilizado em outros processos ou aplicações.

Descrição do Processo O processo é exemplificado aqui por uma usina para produção de alumínio, e é caracterizado pelo fato de que grandes quantidades de gás de exaustão (da ordem de 5.000 Nm3/h por célula de alumínio) contendo energia a baixa temperatura (tipicamente aproximadamente 120-140°C, mas pode ser aumentada até aproximadamente 200°C) sendo extraída/succionada das células de alumínio. O gás de exaustão contém poluentes tais como partículas e componentes gasosos os quais devem ser removidos do gás de exaustão em um processo de limpeza antes dele poder ser emitido. O conteúdo de energia do gás de exaustão pode ser recuperado em um trocador de calor (sistema de recuperação de calor) em que o gás de exaustão desprende calor (é resfriado) para um outro fluido apropriado para a aplicação em questão. Em princípio, o sistema de recuperação de calor pode ser localizado - a montante do processo de limpeza - onde o sistema de recuperação de calor tem que operar com um gás que contém partículas - a jusante do processo de limpeza - onde componentes poluídos e partículas no gás foram removidos.

Como os processos de limpeza disponíveis hoje em dia devem operar a um baixo nível de temperatura, a recuperação de energia é, na prática, relevante só para a alternativa onde o sistema de recuperação de calor fica situado a montante do processo de limpeza. Isto significa, na prática, que o sistema de recuperação de calor deve poder operar com gás quente contendo partículas.

Por causa das forças de inércia, difusão e forese, partículas e componentes de traço no gás de exaustão vão ser depositados sobre a superfície de transferência de calor do sistema de recuperação de calor e formam uma camada isolante que reduz a transferência de calor. Sem controle suficiente, a efetividade (o nível de recuperação de calor) do sistema de recuperação de calor vai ser inaceitavelmente baixa, e a queda de pressão (e o trabalho associado para bombear o gás de exaustão através) será grande. A espessura do revestimento depositado pode ser controlada usando técnicas ativas ou passivas. Técnicas ativas significam que o depósito é removido completamente ou parcialmente por meio de varredura mecânica, jateamento/lavagem hidráulicos ou pneumáticos, varredura por impacto ou momento ou métodos equivalentes. Técnicas passiva significam que nenhuma forma de equipamento ou dispositivo externo é usada para controlar o depósito de partícula. Ele é ao invés controlado e limitado por meio de parâmetros de processo, por exemplo a velocidade do gás de exaustão. A presente invenção inclui uma técnica passiva para limitar o depósito no sistema de recuperação de calor.

Além do sistema de recuperação de calor que recupera calor do gás de exaustão, é necessário que isto seja feito sem a queda de pressão para o gás de exaustão através do sistema de recuperação de calor ser muito grande. São usadas ventoinhas para dirigir o gás de exaustão através do sistema, e a energia fornecidas às ventoinhas é aproximadamente proporcional à queda de pressão e taxa de fluxo em volume. E portanto importante para o sistema de recuperação de calor ser projetado de um tal modo que a queda de pressão seja tão baixa quanto possível.

Reduzir a taxa de fluxo em volume produz um ganho na forma de mais baixo consumo de energia para as ventoinhas que dirigem o gás de exaustão através do sistema. Uma taxa de fluxo em volume menor pode ser alcançada por meio de i. redução da temperatura de gás de exaustão antes da ventoinha. ii. redução da quantidade de gás de exaustão extraído das células de eletrólise.

Reduzir o fluxo em volume também reduz a queda de pressão em outras partes do sistema.

Uma redução no volume extraído/succionado a partir das células de eletrólise normalmente não será possível, pois isto vai implicar em pressão aumentada dentro dos seus contornos. Pressão aumentada vai ainda tomar as células mais vulneráveis a perfuração, resultando em um aumento no escapamento de gás e poeira para o ambiente de trabalho.

Reduzir a quantidade de gás de exaustão extraído vai geralmente acarretar um aumento da temperatura do gás fora das células de eletrólise (o que reduz o ganho proveniente da quantidade reduzida de gás) a menos que o gás de exaustão seja resfriado antes das ventoinhas. A queda de pressão no sistema depende da velocidade do gás que pode ser reduzida reduzindo a temperatura de gás. A solução proposta acarreta uma redução resultante no consumo de energia para as ventoinhas precisamente porque o gás de exaustão é resfriado. Além disso, o calor recuperou do gás de exaustão está disponível como calor de processo para vários fins de aquecimento e processamento. A solução proposta vai, para novas usinas, implicar que é possível aplicar dimensões menores em usinas de limpeza de gás inclusive os seus canais de transporte, porque os volumes de gás de exaustão a ser transportado vão ser reduzidos. É desejável (mas não necessário) ter um sistema de recuperação de calor que é relativamente compacto, ou seja, tem um volume mínimo. Isto é para reduzir o porte e os custos.

Finalidade A finalidade da presente invenção é recuperar calor a partir de gás de exaustão contendo poeira/partículas de processos industriais, em particular células de alumínio, em um ou mais sistemas de recuperação de calor localizados a montante do processo de limpeza de gás usando uma técnica passiva para manter os depósitos de revestimento sobre as superfícies de recuperação de calor sob controle e para conseguir uma operação estável.

Resfriando o gás bruto proveniente de uma usina de eletrólise para produção de alumínio, é possível manter a pressão de gás dentro dos contornos das células em um nível baixo suficiente para evitar efluente de gás aumentado e poeira para o ar ambiente.

Estas e outras vantagens podem ser obtidas com a invenção como ela está definida nas reivindicações anexas. A presente invenção será descrita em detalhe adicional a seguir usando exemplos e figuras onde: A fig. 1 mostra resultados de testes com tubos aletados elípticos. A fig. 2 mostra um cálculo do volume do trocador de calor para temperatura de entrada de 120°C para o sistema de recuperação de calor, 6,5 MW de potência térmica. Taxa de fluxo de gás de exaustão; 440.000 Nm3/h, temperatura de entrada para a ventoinha: 80°C. São indicados resultados para a queda de pressão permitida no sistema de recuperação de calor de 3.000 Pa. A fig. 3 mostra um cálculo do volume de trocador de calor para temperatura de entrada de 180°C para o sistema de recuperação de calor, 6,5 MW de potência térmica. Taxa de fluxo de gás: 176.000 Nm3/h, temperatura de entrada para a ventoinha: 80°C. São indicados resultados para a queda de pressão permitida no sistema de recuperação de calor de 4.000 Pa, A fig. 4 mostra equipamento de teste para uma modalidade de sistema de recuperação de calor com tubos elípticos aletados.

Descrição do Sistema de Recuperação de Calor O sistema de recuperação de calor pode consistir em um ou mais elementos ocos tais como tubos com uma seção transversal circular ou elíptica/oval, com ou sem aletas fixadas no lado de fora dos tubos, ver figura 4. Os tubos podem ser feitos de aço carbono que tenha sido tratado em um processo de galvanização. Outros materiais também podem ser relevantes para esta aplicação, tais como alumínio. As superfícies externas dos tubos que vão estar em contato com partículas/poeira também podem ser tratadas de acordo com técnicas de tratamento de superfície relevantes para produzir um efeito de deslizamento aumentado. Revestimentos de deslizamento relevantes também podem ser incluídos em tais técnicas de tratamento. O gás de exaustão escoa no lado de fora dos tubos e perpendicular à direção axial dos tubos. Os tubos são compactados em um padrão regular com a distância de tubo de centro-para-centro ajustada de forma que o fluxo de massa (taxa de fluxo de massa por unidade de seção transversal de fluxo) e o momento do gás de exaustão sejam mantidos em um nível em que um equilíbrio é alcançado entre deposição de partícula e remoção de partícula sobre as superfícies de transferência de calor. O sistema de recuperação de calor é encerrado por paredes laterais e assim forma um canal através do qual o gás de exaustão escoa. Nenhuma exigência especial é feita para o refrigerante que escoa dentro dos tubos. Por exemplo, o refrigerante podem consistir em líquido/vapor d’água ou gás como água/vapor d’água ou ar.

Para alcançar um equilíbrio entre deposição de partícula e remoção de partícula, deve haver um certo fluxo de massa e momento mínimos para o gás de exaustão. Este limiar é tanto específico para geometria quanto específico para processo. Testes são realizados cabo para identificar o valor limiar para algumas geometrias específicas (tubos circulares de 0 36 mm, tubos circulares de 0 36 mm com mm aletas anulares de 0 72 mm, tubos elípticos de 14x36 mm com aletas retangulares) em uma disposição de teste em pequena escala. No teste, gás de exaustão real proveniente de produção de alumínio é usado, com concentração de partícula e distribuição de partícula típicas para este processo. A deposição de partícula/poeira resultante sobre as superfícies de transferência de calor é controlada pelo transporte de partículas/poeira para a superfície, adesão à superfície e arrastamento/remoção a partir de dita superfície. O transporte para a superfície é influenciado pela concentração de partículas no gás, juntamente com convecção, difusão, e forese para partículas pequenas, enquanto forças de momento e forças de inércia são mais dominantes para partículas maiores. A adesão à superfície é influenciada entre outros efeitos pelas forças de ligação de van der Waal que, forças capilares, forese, e gravidade. O arrastamento/remoção de partículas/poeira da superfície é influenciado por forças de cisalhamento no fluxo, trituração e colisões causadas por partículas maiores que batem na superfície, juntamente com forças de gravidade. Um equilíbrio entre deposição de partícula e arrastamento/remoção de partícula é alcançado pelo fato que os mecanismos que causam o arrastamento/remoção de partículas são aumentados a um nível que contrabalançam os mecanismos de deposição. Para um dado sistema, estes mecanismos podem ser expressos por velocidades de gás de características, por meio de que várias velocidades vão dar densidades resultantes correspondentes da camada de incrustação. Dita camada vai isolar contra a transferência de calor. Estas velocidades de gás características podem ser em princípio estabelecidas por cálculos teóricos, mas vão na prática ser determinadas por experiências e medidas, devido à complexidade do assunto. Uma velocidade otimizada vai ser uma velocidade que, para o dado sistema, realiza uma redução aceitável em transferência de calor causada por incrustação em condições estáveis, sem provocar uma queda de pressão muito elevada. Nas experiências levadas a cabo, velocidades de gás bruto aceitáveis foram medidas para serem aproximadamente 12 metro s/segundo ou acima. O gás de exaustão pode ter uma temperatura na faixa de 120°C-600°C. A temperatura do gás de exaustão nos testes era aproximadamente 130°C, e a temperatura de parede do tubo aproximadamente 70°C. Um exemplo de resultados de teste é mostrado na figura 1 (tubos elípticos com aletas retangulares), onde a resistência à transferência de calor por causa da camada de depósito (fator de incrustação) é mostrada como uma função do tempo para vários fluxos em massa de gás em corrente livre. Um estado estável (nenhuma variação no fator de incrustação) é alcançado tipicamente depois de 50-500 horas de operação a uma velocidade de gás de aproximadamente 11-13 m/s (equivalente a aproximadamente 9,5-11 kg/m2s). [Para os testes mostrados na figura 1, condições estáveis ocorriam a uma velocidade de gás de aproximadamente 11 m/s (10 kg/m2s) depois de aproximadamente 400 horas de operação. A redução na transferência de calor sob condições estabilizadas é compensada por um aumento moderado na superfície de transferência de calor, tipicamente 25-40% em relação a uma de superfície de transferência de calor limpa. Ao mesmo tempo, a queda de pressão para o gás de exaustão através do sistema de recuperação de calor é mantida em um nível aceitável. Estas metas são alcançadas mediante uma combinação de geometria de tubo/aleta, compactação de tubo e condições de fluxo.

Exemplos de dimensionamento de sistemas recuperação de calor para recuperação de 6,5 MW de calor a partir de gás de exaustão a 120°C e 180°C são mostrados na figura 2 e figura 3. Estes exemplos são baseados em correlações de queda de pressão dadas e uma queda de pressão total assumida nos sistemas de recuperação de calor equivalente a uma demanda de potência nas ventoinhas de 10%, respectivamente 5% da energia recuperada. Nestes exemplos, apenas projetos com velocidades de gás de exaustão (a velocidade na seção transversal de fluxo aberto no sistema de recuperação de calor) acima de aproximadamente 11-13 m/s (9,5-11 kg/m2s) vão alcançar condições estáveis. Os outros projetos experimentarão depósitos inaceitavelmente altos com o tempo. Como mostram as figuras, somente tubos aletados elípticos vão permitir uma velocidade alta o bastante para condições estáveis serem alcançadas nas quedas de pressão específicas. A relação entre fluxo de massa e momento para o gás de exaustão e resistência de revestimento estabilizada (fator de incrustação) é função da temperatura e composição do gás de exaustão, mais concentração e distribuição de partículas. Ao mesmo tempo, a queda de pressão é função da geometria do tubo e aleta, da compactação de tubo, da temperatura do gás de exaustão e da velocidade e superfície de transferência de calor total. As relações demonstradas até agora não são portanto universais. Um sistema de recuperação de calor poder operar com condições de revestimento estáveis e queda de pressão aceitável vai depender do processo (nível de temperatura, características de partícula, exigências para eficiência térmica para o sistema de recuperação de calor, etc.). As relações encontradas são, contudo, consideradas típicas para aplicações para recuperação de calor a partir de gás de exaustão proveniente da produção de alumínio baseada em tecnologia de eletrodo pré-cozido.

Embora a presente invenção tenha sido definida com base na tecnologia de pré-cozimento, os princípios da presente invenção também podem ser aplicados com relação a sistemas que usam a tecnologia chamada Spderberg, e outros processos industriais, exemplificados pela indústria de fusão de ferro-silício e incineração de lixo.

Nos exemplos, tubos com seções transversais circulares e ovais (elípticas) foram mencionados. Porém, em outras modalidades, é possível operar com uma geometria externa dos tubos onde os tubos foram otimizados com respeito a deposição de partícula, transferência de calor e queda de pressão. Por exemplo, a seção transversal dos tubos pode ser principalmente projetada como uma seção de asa.

Ademais, também podem ser usados métodos eletrostáticos ou outros semelhantes para contrariar a formação de depósito sobre as superfícies de recuperação de calor.

Ajustes técnicos de projeto adicionais podem ser realizados com base nas características do gás de exaustão de que o calor deve ser recuperado. Isto pode por exemplo envolver a escolha do material usado na unidade de recuperação ou seu tratamento de superfície, em particular em relação à recuperação de calor a partir de gases úmidos ou corrosivos.

Ajustes de projeto adicionais com respeito à geometria da unidade de recuperação, à velocidade do gás de exaustão na sua superfície e outras variáveis dependentes do fluxo podem ser realizados com base nas nos aspectos característicos do gás de exaustão a ser tratado, tais como velocidades de gás e temperaturas. A densidade e as dimensões da poeira/partículas no gás de exaustão também podem ser de importância com respeito ao projeto da unidade de recuperação de calor.

Claims (10)

1. Método para recuperar calor a partir de um gás de exaustão não limpo, removido de um processo de eletrólise para produção de alumínio por meio de um sistema de cxtração/sucção, onde o gás de exaustão contém partículas e/ou poeira, onde pelo menos um elemento oco é projetado para permitir que um meio de recuperação de calor escoe através do mesmo, e em que o pelo menos um elemento(s) de recuperação de calor é(são) encerrado(s) por paredes que formam uma seção de canal para acoplamento a/integração com o sistema de extração/sucçâo, caracterizado pelo fato de que o(s) elemento(s) oco(s) citado(s) é(são) posicionado(s), principalmcnte, de modo que a direção longitudinal prevalecente do(s) elemento(s) fica através da direção prevalecente de fluxo do gás de exaustão, e que o calor seja recuperado do gás de exaustão, o qual tem uma temperatura na faixa de 120°C-600°C, e sendo colocado em contato com um ou mais elementos de recuperação de calor em uma velocidade superior a 10 m/s e inferior a 25 m/s, e projetado de tal modo que os depósitos da poeira e/ou partículas revestindo as superfícies citadas são mantidos em um nível limitado, estável, atingindo, assim, um equilíbrio entre deposição de partícula e remoção de partícula sobre as superfícies de transferência de calor do pelo menos um elemento oco.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a velocidade do gás de exaustão é de 12 m/s.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás é gás bruto de uma ou mais células de eletrólise.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento ou elementos oeo(s) é/são projetado(s) para ter (terem) uma seção transversal principalmente circular.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento ou elementos oco(s) é/são projetado(s) para ter (terem) uma seçào transversal principalmente oval estendida, onde o eixo longitudinal da seção transversal é principalmente coincidente com a direção prevalecente de fluxo do gás de exaustão.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento ou elementos oco(s) é/são equipado(s) com nervuras ou aletas para recuperação de calor melhorada.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de recuperação de calor é água/vapor d''água ou ar.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento ou elementos oco(s) é/são feitos de aço carbono galvanizado.

9. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o elemento ou elementos oco(s) é/são equipado(s) com nervuras ou aletas para recuperação de calor melhorada, o nível limitado, estável sendo representado por um fator de incrustação abaixo de 0,01 m2K/W.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma redução na transferência de calor sob condições estabilizadas é compensada por um aumento moderado na superfície de transferência de calor, tipicamente, 25-40% em relação a uma superfície de transferência de calor limpa.