BRPI0616576A2 - método para recuperar calor de gás quente produzido em reator térmico e sistema de decomposição de combustìvel sólido - Google Patents

Abstract

3MéTODO PARA RECUPERAR CALOR DE GáS QUENTE PRODUZIDO EM REATOR TéRMICO E SISTEMA DE DECOMPOSIçãO DE COMBUSTìVEL SóLIDO. A presente invenção refere-se ao calor que pode ser recuperado de gás quente produzido em um reator térmico (1) injetando água no gás em uma ou mais zonas de injeção (4), em uma tal quantidade e de tal maneira que a temperatura do gás devido à evaporação de água é reduzida até abaixo de 400<198>C, preferivelmente abaixo de 300<198>C, possivelmente abaixo de 150 a 200<198>C, e o ponto de orvalho do gás se torna pelo menos 60<198>C, preferivelmente pelo menos 70<198>C, possivelmente 80 ou 85<198>C. O gás pode então ser conduzido através de uma unidade trocadora de calor de condensação (8), onde pelo menos algo do conteúdo do gás do vapor d'água é condensado e o calor de condensação pode ser utilizado para aquecimento de uma corrente de fluido, principalmente água. Com isto, um método para a produção de água quente é obtido, o qual é económico e simples, e tem baixo custo de manutenção e além disso tem um grau de rendimento elevado e boas qualidades ambientais. O método pode ser utilizado para um amplo espectro de combustíveis e tecnologias de conversão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOPARA RECUPERAR CALOR DE GÁS QUENTE PRODUZIDO EM REA-TOR TÉRMICO E SISTEMA DE DECOMPOSIÇÃO DE COMBUSTÍVELSÓLIDO".

A presente invenção refere-se a um método e a um sistema paraa recuperação de calor de gases quentes, por exemplo gás de chaminés,produzidos em um reator térmico ou, mais precisamente, para aquecimentode água por meio dos gases quentes que são liberados por conversão térmi-ca (gaseificação ou combustão) de combustíveis sólidos, por exemplo, bio-massa, refugo ou carvão.

Aquecimento de água a partir de gases quentes que são libera-dos durante a conversão térmica de combustíveis é bem-conhecido. Águaquente pode ser utilizada para finalidades de aquecimento, por exemplo emcasas, apartamentos, escritórios, em indústrias e etc. e para água domésti-ca. Instalações para tais finalidades são produzidas em dimensões muitodiferentes, aproximadamente 1 kW-250 MW de entrada efetiva.

Referência é feita a "Varme stabi", Nyt teknisk Fprlag, 4a. ed.,2004 No. De ordem 44031 -1, ISBN 87-571 -2546-5, Ullman s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry Release 2005, 7a. edição, "User friendly it tool for bio-mass heating plants" em proceedings of 2nd world conference and technolo-gical exhibition on biomass for energy, industry and climate protection" e DE3544502 A1.

A água é usualmente aquecida em um circuito fechado e condu-zida para um ponto de consumo, depois do que a água é retornada para aunidade de produção de calor depois da liberação da energia térmica.

Quando a água deixa a unidade de produção (suprimento) a temperatura daágua usualmente é 60-90 °C. A temperatura da água que retorna para a uni-dade de produção de calor depois de resfriamento no consumidor (retorno) éaproximadamente 30- 50 °C.

Ao mesmo tempo que o desenvolvimento tecnológico e a aten-ção para economias de energia, havia uma tendência para reduzir as tempe-raturas de suprimento e de retorno, uma vez que a perda térmica a partir dostubos de distribuição é reduzida desta maneira.

A água quente pode ser produzida próximo às localizações re-queridas ou ser enviada para o consumidor através de uma rede de aqueci-mento distrital.

A energia liberada pela conversão térmica de um combustívelpode ser transferida para a água quente em estágios, por exemplo:

1. Resfriando a área ao redor do lugar onde a conversão térmicatem lugar, por exemplo, um alimentador resfriado com água, uma grelha res-friada com água, áreas resfriadas com água no reator ou outras superfíciesresfriadas, onde a conversão térmica tem lugar.

2. Resfriamento dos gases quentes (secos)

3. Resfriamento adicional dos gases, por meio do que vaporesno gás é condensado.

Referência a 2. Resfriamento dos gases quentes (secos)

O gás que deixa a unidade térmica está usualmente a aproxima-damente 700 a 1000 0C dependendo da tecnologia, combustível e condiçõesde operação. É bem-conhecido, por exemplo, em estações CHP que a tem-peratura da unidade térmica pode ser ajustada ou controlada por meio deinjeção de água para proteger materiais, por exemplo o superaquecedor,contra uma temperatura muito elevada. A quantidade de água injetada paraajustar a temperatura na sala de caldeira é contudo muito limitada; a tempe-ratura do gás permanece elevada (acima de 600 °C) e as características dogás, por exemplo, o ponto de orvalho da água não são mudados de maneirasubstancial.

Usualmente a energia dos gases quentes é transferida para umoutro meio, por exemplo água, utilizando um trocador de calor onde o gásquente está escoando em um lado, enquanto um outro meio mais frio (porexemplo água) está escoando do outro lado. Assim a água é aquecida en-quanto o gás é resfriado. Em algumas plantas mais trocadores de calor sãoutilizados, por exemplo preaquecimento de ar e/ou superaquecimento devapor e/ou produção de água quente.

Estes trocadores de calor são usualmente do tipo de trocador decalor por convecção, uma vez que a energia é transferida principalmente dogás através de convecção. Usualmente tubos de aço são utilizados. Quandocombustíveis sólidos são convertidos o gás contém partículas. Estas partícu-las resultam em diversos problemas neste trocador de calor:deposição defuligem, corrosão, baixas taxas de troca de calor etc., e muitas vezes umdispositivo é montado para manter limpos os tubos de gás, por exemplo so-pradores de fuligem ou limpeza mecânica.

O trocador de calor utilizado para transferir energia do gás quen-te e seco é feito de materiais que correspondem às qualidades do gás, usu-almente aço a prova de calor.

Usualmente o gás é resfriado na "parte de convecção" até apro-ximadamente 150 °C, uma vez que a temperatura do gás está então acimado ponto de orvalho ácido e do ponto de orvalho da água. Se o gás é resfri-ado até o abaixo dos pontos de orvalho ácido ou da água, corrosão severapode ocorrer no material a prova de calor do trocador de calor.

Amônia, cloro, enxofre, partículas, sais etc., são muitas vezesremovidos do gás, por exemplo por um processo de limpeza seco ou semi-seco. Desta maneira, os materiais que provocam problemas para o ambien-te, ou os materiais que bloqueiam e/ou corroem durante estágios de proces-so subseqüentes, podem ser removidos.

Referencia 3. Resfriamento adicional dos gases por meio do quevapor no gás é condensado

Para utilizar mais da energia térmica, o gás pode ser resfriadoainda mais, por meio do que vapores, inclusive vapor d'água no gás, sãocondensados. A composição do gás depende do combustível convertido edas condições no reator térmico. Com teor de umidade elevado no combus-tível e uma baixa quantidade de excesso de ar na unidade térmica, um pontode orvalho de água elevado é obtido. Usualmente o ponto de orvalho de á-gua no gás será aproximadamente 35-60 °C, se o gás tem pressão atmosfé-rica. Se o gás é resfriado abaixo do ponto de orvalho da água, vapor d'águairá condensar e energia de condensação é liberada, a qual pode ser utilizadapara a produção adicional de calor. Dependendo do combustível e das con-dições no processo térmico, a utilização de energia pode ser aumentada poraté aproximadamente 30%.

Por meio de condensação de vapor d'água, outros materiaistambém são liberados do gás, por exemplo, amônia, cloro, enxofre, partícu-Ias, sais etc. Uma vez que algumas dessas substâncias podem prejudicar,por exemplo corroer, os materiais utilizados para resfriar o gás seco (a partede convecção), a parte de condensação é usualmente feita de outros mate-riais. Na parte de condensação, por exemplo fibra de vidro, material plástico,ou vidro, aço inoxidável à prova de ácido, titânio etc. são utilizados.

Uma vez que o gás que é conduzido para a unidade de conden-sação é resfriado até por exemplo 150 0C e tem um ponto de orvalho da á-gua de aproximadamente 35-60 0C, a temperatura da água aquecida na uni-dade de condensação se torna muito baixa para ser utilizada para suprimen-to. Portanto, a água a partir da unidade de condensação deve ser aquecidaainda mais.

A energia no gás depois da unidade de condensação pode serainda utilizada, por exemplo, transferindo vapor d'água e calor para o ar decombustão que é adicionado ao processo térmico, ou por meio de umabomba de calor.

Em algumas plantas, especialmente químicas, o resfriamento degases quentes por meio de injeção maciça de água no interior de um "apa-gador" é utilizado. Um "apagador" é por conseguinte, úmido, uma vez queexiste um excesso de água. Nestas plantas nenhuma evaporação conside-rável da água injetada terá lugar, uma vez que a quantidade de água é muitogrande para assegurar resfriamento dos gases. De maneira similar, nenhu-ma mudança significativa das características do gás (por exemplo, ponto deorvalho) terá lugar. Os bocais utilizados em um apagador são do tipo quegera grandes gotas de água e que distribui uma grande quantidade de água.

Assim, em um apagador a capacidade térmica de água (aproximadamente4,16 J/g/°C) é utilizada para resfriar o gás.

Em algumas plantas, especialmente químicas, o resfriamento degases quentes por meio de injeção de água para o interior de um "resfriadorevaporativo" é utilizado. Em um "resfriador evaporativo" o gás resinado podeser secado, e assim sistemas de limpeza de gás seco podem ser utilizadospara limpar os gases, o que é necessário devido a legislações ambientais.

Um exemplo de tais plantas são as plantas de produção de cimento. O vapord'água no gás a partir de "resfriadores evaporativos" não é condensado eutilizado para a produção de água quente.

Em algumas plantas alimentadas com gás ou óleo, a câmara decombustão é muito compacta e seguida por um injetor que é utilizado comouma bomba de gás. O ejetor pode então ser seguido por um trocador de ca-Ior onde vapores de água se condensam e com isto energia é recuperada.Contudo, tais sistemas não podem ser utilizados por diversas razões, porexemplo:

Sistemas de alimentação e câmaras de combustão para com-bustíveis sólidos são muito diferentes de sistemas de alimentação e câmarasde combustão para combustíveis gasosos.

Em seguida o calor de condensação irá corroer e ou bloquearcom partículas, se combustíveis sólidos são utilizados.

A invenção fornece um método e uma planta que permitemtransferência de energia a partir de gases quentes para água ou um outrofluido por meio de consideravelmente menos unidades de transferência decalor, uma vez que a transferência de calor a partir de gases quentes podeser reunida em uma única unidade de condensação. Além disto, um circuitode água mais simples é obtido uma vez que o acoplamento e controle docircuito de água para uma unidade de acontecer condensação bem comouma parte de convecção são evitadas.

Assim, a invenção fornece um método para a recuperação decalor a partir de gases quentes de chaminés produzidos em um reator térmi-co como definido na reivindicação 1. De acordo com o método, a água é in-jetada em uma ou mais zonas de injeção em uma tal quantidade e em umatal maneira, que a temperatura do gás de chaminé é reduzida para abaixo de400 0C e o ponto de orvalho do gás é pelo menos 60 0C devido à evapora-ção de água. Em seguida, o gás é conduzido através de uma unidade troca-dora de calor de condensação (8), onde pelo menos algo do vapor d'água écondensado e o calor de condensação é utilizado para aquecer uma corren-te líquida, principalmente água.

Desta maneira, todo o calor de evaporação da água (aproxima-damente 2,2 MJ/kg) é utilizado duas vezes:

1. Por meio de injeção de água e sua evaporação, a quantidadede vapor d'água no gás é aumentada e assim o ponto de orvalho do gás éaumentado.

Como um exemplo, poderia ser mencionado que injeção de á-gua para o interior de um gás de chaminé a partir de combustão de biomas-sa em tal quantidade que o gás resfriado até 150 0C irá aumentar o ponto deorvalho para o gás de chaminé até aproximadamente 85 °C. O ponto de or-valho em gás de chaminé é usualmente 35-60 cC sem injeção de água.

2. O gás resfriado que contém uma grande quantidade de vapord'água pode então produzir a quantidade de energia na unidade trocadorade calor de condensação que era anteriormente produzida em pelo menosduas unidades, isto é, uma parte de convecção seca e quente, e uma partede condensação. Além disto, o ponto de orvalho do gás de chaminé aumen-ta consideravelmente devido à injeção de água, o que significa que a unida-de trocadora de calor de condensação pode aquecer a água ou um outrolíquido até uma temperatura adequada para utilizar a água diretamente co-mo suprimento.

Pelo menos uma parte da água injetada para os gases quentesirá atomizar em um bocal, por meio do que, a água irá evaporar mais rapi-damente.

Injeção de água para o gás quente pode ter lugar em diversaszonas de injeção, as quais podem compreender combustível, o reator térmi-co, uma unidade de limpeza de gás e/ou a unidade trocadora de calor decondensação. Por meio da injeção de água para o combustível e/ou para oreator térmico, inúmeras vantagens são obtidas:

- se a planta é projetada para combustíveis molhados, a mesmaplanta pode ser utilizada para combustíveis secos por meio de injeção deágua para o combustível e/ou para o reator térmico. Assim, uma planta decombustível flexível é obtida.

- formação de NOx pode ser controlada e reduzida, uma vez quea formação de NOx é independente da temperatura.

O reator térmico e os tubos de gás para a unidade trocadora decalor de condensação podem ser separados ou serem construído juntos emuma unidade, uma vez que a conversão térmica então tem lugar em umazona enquanto injeção de água pode ter lugar naquela zona do reator e pos-sível também em algum outro lugar em uma zona subseqüente.

Antes e/ou depois da unidade de condensação, o gás pode serlimpo de materiais indesejáveis tais como, por exemplo, amônia, metais pe-sados, ácidos, cloro, enxofre, partículas, sais etc. Isto pode ser feito, por e-xemplo, em um filtro de saco, um ciclone, eletro-filtro ou um lavador, possi-velmente combinado com adição de absorventes tais como carbono ativo,argila, bicarbonato etc. Uma vez que a temperatura de gás esteja acima doponto de orvalho da água, tecnologias de limpeza de gás seco podem serutilizadas, por exemplo, filtro de saco ou eletro-filtro. Se o gás for úmido, la-vadores e/ou eletro-filtros molhados podem ser utilizados.

Uma parte da água injetada no gás pode ser injetada vantajo-samente em grande velocidade na direção do escoamento de gás. Por meiodisto, energia cinética da água pode ser transferida para o gás e a injeção deágua pode então atuar como uma bomba de gás (ejetor).

Se uma temperatura de suprimento especialmente elevada édesejada, a água aquecida na unidade trocadora de calor de condensaçãopode ser aquecida ainda mais, por exemplo, por meio de um alimentadorresfriado por água, uma grelha resfriada com água, áreas resfriadas comágua no reator, e/ou outras superfícies resfriadas ao redor da área de con-versão térmica, ou por meio de uma outra produção térmica.

Depois da unidade trocadora de calor de condensação, uma cer-ta quantidade de energia será deixada no gás na forma de calor e vapor d'á-gua. Algo desta energia pode ser utilizada por transferência para o ar decombustão por meio de um trocador de entalpia. Em um trocador de entalpiavapor d'água e calor são transferidos para o ar de combustão, implicandoem quantidade de vapor d'água ainda mais elevada no gás, e assim um ren-dimento mais elevado da unidade de condensação. Trocadores de entalpiapodem ser projetados em maneiras diferentes, por exemplo como unidadesrotativas onde ar de combustão escoa de um lado e gás quente do outro, oucomo um sistema onde o gás depois da unidade trocadora de calor de con-densação troca com água fria, pelo que a água é aquecida. A água aquecidapode então ser utilizada para aquecer e umidificar o ar de combustão.

Por meio da combustão de combustíveis sólidos, por exemplopalha ou refugo, sedimentação de partículas irá muitas vezes ocorrer na par-te de convecção, uma vez que partículas quentes são pegajosas devido aum baixo ponto de fusão de cinzas. Por meio de injeção de água e da redu-ção correspondente da temperatura de gás, este problema é eliminado.

A água quente pode ser produzida junto ao local de consumo, ouser enviada para o consumidor através da rede de aquecimento distrital.Plantas projetadas de acordo com a invenção podem ser construídas em umespectro de dimensões bastante amplo, aproximadamente 1 kW-250 MW deentrada efetiva.

A unidade térmica pode ter outras finalidades do que apenasprodução de calor, por exemplo, produção de gás e eletricidade, entre ou-tras. Entre tecnologias relevantes para a invenção podem ser mencionadas:plantas de combustão para combustível sólido (biomassa, refugo e carvão)para mera produção de calor, bem como produção de CHP, caldeiras quequeimam gás e óleo, motores, turbinas a gás, plantas de gaseificação etc.

Se a unidade térmica é do tipo de leito fluido, injeção de águapara o leito pode ser utilizada para ajustar a temperatura no leito, pelo que,vantagens operacionais (por exemplo formação de escória) e ambientais(por exemplo redução de NOx) podem ser obtidas. Injeção de água para oleito irá contribuir ainda para fluidização do leito. Este tipo de ajustamento datemperatura é consideravelmente mais robusto do que a técnica tradicionalna forma de serpentinas de resfriamento, que são rapidamente e desgasta-das do material do leito.A água condensada pode ser limpa de partículas, sais, metaispesados etc. e ser ajustada para pH antes que seja utilizada ou abandonada.

A água injetada no combustível, na unidade térmica, nos gasesou no condensador, pode ser condensada, segregada na unidade de con-densação ou água adicionada do exterior.

Na unidade térmica, a unidade de condensação e no duto deconexão de gás pode haver pressão atmosférica ou pressões acima ou a-baixo da atmosfera.

A invenção ainda fornece um sistema para a decomposição decombustível e produção de água quente como definido na reivindicação 13,e compreendendo um reator térmico, um duto de gás de chaminé, um oumais dispositivos de injeção de água, por exemplo na forma de bocais, euma unidade trocadora de calor de condensação conectada ao duto de gásde chaminé. Aqui, pelo menos algo do vapor d'água do gás é condensado eo calor de condensação é utilizado para aquecimento de um escoamento defluido, preferivelmente água, e dispositivo para controlar a injeção de águapara o gás de chaminé, para que a temperatura do gás de chaminé seja re-duzida até abaixo de 400 °C, e o ponto de orvalho do gás se torne pelo me-nos 60 0C devido à evaporação de água.

A invenção é explicada em mais detalhe no que segue, fazendoreferência aos desenhos, nos quais:

a figura 1 mostra, de maneira esquemática, o primeiro projeto daplanta de acordo com a invenção.

a figura 2 mostra, de maneira esquemática, o segundo projetoda planta de acordo com a invenção, no qual combustível sólido é queimadoem uma caldeira de queima em grelha, e onde partículas são removidas dogás de chaminé em um filtro de saco antes da condensação.

a figura 3 mostra, de maneira esquemática, o terceiro projeto daplanta de acordo com a invenção, no qual combustível sólido é queimado emuma caldeira de queima em grelha, e onde a água é adicionada por meio deum ejetor;a figura 4 mostra, de maneira esquemática, o quinto projeto daplanta, no qual combustível é gaseificado e a energia térmica no gás é utili-zada.

a figura 5 mostra um diagrama da saída do gás de chaminé apartir do resfriamento, com e sem injeção de água precedente e evaporação,e

a figura 6 mostra duas tabelas com cálculos de energia, ondecombustível molhado e seco, respectivamente, são convertidos. Os cálculosmostram resultados para tecnologia padrão de hoje e para a invenção com e sem umidificação de ar de combustão.

No que segue, partes correspondentes nos diferentes projetosterão os mesmos termos de referência.

Na figura 1, 1 é uma unidade ou reator ao qual combustível éadicionado. O combustível é convertido termicamente por meio de adição dear (e/ou oxigênio). Assim, um gás quente é produzido na unidade térmica 1.O combustível adicionado à unidade 1 é sólido, por exemplo biomassa, refu-go ou carvão. Se a unidade térmica 1 é projetada para combustíveis combaixo poder calorífico, por exemplo combustível molhado, e se o combustíveladicionado tem um poder calorífico mais elevado, a temperatura na unidadeou no gerador 1 pode ser ajustada adicionando água ao combustível, em 2e/ou adicionando água em 3 dentro da unidade térmica 1.

Em 4 a água é injetada nos gases quentes que deixam a unida-de térmica 1. A água evapora e resfria os gases consideravelmente, umavez que a energia de evaporação da água é muito elevada. A unidade na qual injeção 4 é colocada, pode ser construída de aço à prova de calor, tijo-los, fundidos e/ou outros materiais. A quantidade de água dosada em 4 podeser controlada com base na temperatura do gás e/ou no ponto de orvalhopor meio de dispositivo de controle adequado S colocado em uma posiçãodepois de 4, onde a água injetada evaporou.

Se o gás resfriado contêm impurezas, por exemplo partículas,uma unidade de limpeza de gás 5 pode remover estas impurezas do gásseco. Por meio de um soprador de gás ou bomba 6, o gás pode ser bombe-ado para uma unidade trocadora de calor de condensação 8, onde o calornos gases, inclusive o calor de condensação no vapor d'água, pode sertransferido para água a ser aquecida. Na unidade de condensação, águatambém pode ser injetada em 7.

O aspirador de gás 6 também pode ser colocado depois da uni-dade de condensação 8, onde o escoamento de gás é mais baixo devido aoresfriamento do gás e à condensação dos vapores de água.

Na e/ou depois da unidade de condensação 8, mais impurezaspodem ser removidas do gás em 9 e/ou do condensado produzido em 12.

Depois da unidade de condensação 8 algo da energia deixada no gás naforma de calor e umidade pode ser transferido em 10 para o ar de combus-tão que é adicionado à unidade térmica 1. O ar umidificado pode ser aindaaquecido em um trocador de calor 11 antes que o ar seja adicionado à uni-dade térmica 1, pelo que as linhas de suprimento são mantidas secas.

Este tipo de planta pode ser produzido em diversas dimensõesdiferentes desde alguns kW (caldeiras domésticas) até grandes plantas aci-ma de 100 MW.

A figura 2 mostra uma planta de combustão para a produção deaquecimento distrital onde o gás é limpo antes de condensar e ar de com-bustão é umidificado. 1 é um queimador para combustão de combustívelsólido. A planta é revestida de tijolos, de modo que ela pode queimar com-bustível com um teor de água elevado (até 60% de água), ou que, de outraforma, tem um valor calorífico baixo (abaixo de 10 MJ/kg). Combustíveis comum valor calorífico mais elevado também podem queimar em tal planta, umavez que a água pode ser adicionada ao combustível em 2, ou na sala decaldeira em 3. Além disto, em 4 água é adicionada aos gases quentes quedeixam o queimador 1. A água evapora e resfria os gases até aproximada-mente 150-200°C. Em seguida o gás é limpo de partículas em um filtro desaco 5. Se outras substâncias devem ser removidas do gás, absorventespodem ser adicionados antes do filtro, por exemplo, argila, carvão ativo, bi-carbonato etc.

O gás de chaminé é aspirado através do aspirador de gás ou dabomba 6 e é resfriado na unidade de condensação 8 que compreende duastorres de resfriamento colocadas uma em cima da outra, indicadas respecti-vamente "Kol 1" e "Kol 2", e um trocador de calor 13 quando o gás de cha-miné escoa em contracorrente com o condensado resfriado 7a. Uma vez quea unidade de condensação 8 é construída de fibra de vidro, é importante queo gás seja resfriado até abaixo de aproximadamente 150 0C antes da entra-da. A adição de água no bocal em 7b protege a entrada do condensador 14quanto a se tornar muito quente. Na torre de resfriamento "Kol 1" água deresfriamento é adicionada em 7a. Com isto, vapor no escoamento de gás de chaminé é condensado e o condensado é reunido em uma sala 15 sob astorres de resfriamento e a entrada 14. O condensado quente tem troca decalor no trocador de calor 13 por meio de água em um sistema de aqueci-mento distrital que não está mostrado, quando a água de aquecimento distri-tal fria é adicionada por meio de um tubo de retorno, enquanto a água quen-te é conduzida de volta para o sistema por meio de um tubo de suprimento.Quando o ponto de orvalho do gás de chaminé é elevado, por exemplo a-proximadamente 85°C, a temperatura do condensado produzido pode seraproximadamente 85-90°C. Assim, a água de aquecimento distrital pode seraquecida a partir do condensado em um único estágio.

O ar de combustão adicionado ao queimador 1 pode ser aqueci-do em um umidificador 17 onde água quente é adicionada em 18, ou pormeio de um dispositivo aquecedor 11, assegurando que os dutos de ar sãomantidos secos. A água adicionada em 2-4, 7a, 7b e 18 pode, como mostra-do, ser resfriada condensada que deixa o trocador de calor 13 e quaisquercondensado em excesso pode ser conduzido para longe em 19. Condensa-do reunido no fundo do umidificador 17 pode ser utilizado para adição à torrede resfriamento "Kol 2".

Quando o gás de chaminé tiver sido resfriado pelo condensadona torre "Kol 1", ele será conduzido através de uma outra seção "Kol 2" ondeo gás será resfriado por água que foi resfriada pelo ar de combustão. O res-friamento do gás de chaminé e a umidificação do ar de combustão, juntos,formam um trocador de entalpia 10 que aumenta o rendimento de energia.A figura 3 mostra uma planta de combustão para a produção deaquecimento distrital. O gás é conduzido através da planta por meio de umabomba ejetora. 1 é um queimador para combustão de combustível sólido.Em 4 água é adicionada aos gases quentes que deixam o queimador 1. Aágua evapora e resfria os gases. Em 7a água é injetada em grande veloci-dade na direção do escoamento de gás através de um tubo 20, cuja seçãotransversal é aumentada na direção de escoamento. Assim, a injeção deágua em 7a através do tubo 20 atua como um ejetor.

Em um trocador de calor de condensação 8 energia térmica étransferida do gás de chaminé para água de aquecimento distrital. O troca-dor de calor em 8 pode ser feito de vidro, plástico ou aço inoxidável à provade ácido, porém não precisa ser à prova de calor. O trocador pode ser limpode partículas por meio de água injetada em 7b, porém esta não necessitaser uma limpeza contínua. O condensado produzido pode ser limpo de partí-cuias etc. em 12, antes de ser utilizado como água de injeção em 4a, 4b e 7,ou drenada para um dreno em 19.

A figura 4 mostra um projeto preferencial de uma planta gâseifi-cadora 1, onde o gás produzido primeiramente é resfriado sendo utilizadopara preaquecimento de ar de combustão em um trocador de calor 21, e en-tão é resfriado por injeção de água em 4. O gaseificador desenhado é dotipo de leito fixo em estágio porém pode, em princípio, ser de outros tipos degaseificador, por exemplo, um gaseificador de leito fluido.

Depois da injeção de água em 4, o gás é limpo de partículas (epossivelmente de alcatrões), por exemplo, em um filtro de saco e/ou um filtrode carbono ativo 5, depois do que o gás em um trocador de calor 8 é resfria-do durante a condensação de água. Por meio de um soprador de gás oubomba 6, o gás é soprado para uma unidade de conversão, aqui ilustradapor um motor, porém poderia também haver outras unidades de conversão,por exemplo uma turbina a gás, equipamento de liquefação para conversãodo gás para combustível fluido etc. A energia do gás de chaminé a partir daunidade de conversão, pode ser utilizada, por exemplo, para a produção decalor. Assim, a invenção pode ser utilizada duas vezes.Na figura 5 existe um diagrama que mostra o cálculo da saída doresfriamento de gás de chaminé a partir de, perspectivamente, uma caldeiratradicional e por meio de injeção de água de acordo com a invenção confor-me as figuras 2 e 3. Dados comuns para os dois cálculos são:

- quantidade de combustível (refugo / aparas de madeira) de3000 kg/h;

- teor de umidade no combustível é 45%

- O2 no gás de chaminé é 5% (seco)

- a temperatura do gás de chaminé fora da caldeira / depois dainjeção de água = 150 °C.

Aparece da figura 5 que aproximadamente e 1700 kW podemser produzidos na unidade de condensação por meio de resfriamento do gásde chaminé até aproximadamente 45 0C com tecnologia padrão enquanto8.500 kW podem ser produzidos utilizando a invenção. As temperaturas da água produzidas também são muito diferentes. Com tecnologia padrão, águapode ser produzida a aproximadamente 65 °C. Contudo, utilizando a inven-ção, água pode ser produzida a 85-91 °C. Na maior parte dos casos, umatemperatura de suprimento de 85 0C será satisfatória, porém, se esta não ésuficiente uma seção de radiação / resfriamento da grelha, pode ser incorpo-rada para reforçar a temperatura. Se por exemplo 95 0C de temperatura desuprimento é desejada, aproximadamente 10-20% da energia deve ser pro-duzida na seção de radiação resfriamento da grelha.

A figura 6 mostra duas tabelas com números chave para cálcu-los selecionados para plantas de aquecimento distrital. Aparece dos núme-ros chave que o rendimento por meio da utilização de combustíveis molha-dos será o mesmo para um projeto padrão com operação de condensação ecom "injeção de água".

Os cálculos relativos à invenção são conservativos, isto é, o fatoque a invenção permite melhor controle da planta e assim menos excessode ar fornecendo um grau de rendimento mais elevado, não foi levado emconsideração no cálculo.

Uma vez que a operação de condensação em combustíveis se-cos não é padrão, o novo método fornece um grau de rendimento mais ele-vado por meio da utilização de combustíveis secos. Deveria ser observadoque no caso de temperatura de retorno elevada (acima de 45 °C), e combus-tível seco, o processo será consumidor de água a menos que umidificaçãode ar de combustão seja utilizada.

Além disto, umidificação será capaz de aumentar o grau de ren-dimento consideravelmente, especialmente em temperaturas de retornomais elevadas. Devido á injeção de ar, a quantidade de gás de chaminé éaumentada durante o resfriamento do gás de chaminé. A unidade de con-densação e tubos pertencentes devem, naturalmente, ser dimensionadospara isto.

Resumo das vantagens mais importantes da invenção:

- Planta mais simples e mais econômica

A vantagem mais importante do conceito é que a construção setorna consideravelmente mais simples e mais econômica do que para plan-tas de condensação tradicionais com ambas, uma parte de convecção euma unidade de condensação. Por meio da utilização da invenção, uma cal-deira de convecção e circuito de caldeira pertencente, e com trocador decalor em paralelo, pode ser economizada, e o circuito de água e o controledas produções de calor se tornam muito mais simples, e assim mais econô-micos. Contudo, haverá um custo extra de dosagem de água e uma plantade condensação maior, porém que será muito pequeno comparado com aseconomias.

- Planta compacta

Os princípios utilizados para transferir calor do gás para água noconceito (evaporação de água em um gás quente e lavador + trocador deplacas / resfriador de tubo de condensação) são muito efetivos (comparadoscom convecção seca) e assim compactos. Uma vez que o número de unida-des é reduzido e como os princípios para transferência de calor são maisefetivos, a planta total se torna mais compacta.

- Custos de manutenção mais baixos

Custos de manutenção de um sistema de injeção de água setornam consideravelmente mais baixos do que os atuais custos de manuten-ção da "operação caldeira".

Por meio da utilização de leito fluido e pela utilização de injeçãode água para ajustar a temperatura do leito, economias também são obtidaspara manutenção, uma vez que são evitados os tubos de resfriamento tradi-cionais que serão desgastados do material do leito.

- Flexibilidade de combustível

Até agora foi necessário construir plantas para qualquer com-bustível molhado ou seco. Combustível molhado necessita revestimento detijolo nas câmaras de combustão para obter uma boa combustão. Se com-bustível seco é utilizado em plantas revestidas de tijolo, a temperatura decombustão será muito elevada. Com o conceito de injeção de água, a câma-ra de combustão pode ser utilizada para combustível molhado e, no caso decombustão de combustível seco, uma quantidade adequada de água seráadicionada para manter a temperatura baixa.

- Rendimento mais elevado por meio de melhor controle de ar

O rendimento é aumentado por consumo de ar mais baixo, umavez que a perda de gás de chaminé se torna menor. Com posicionamento econtrole cuidadosos dos bocais de água, o consumo de ar pode ser reduzidocomparado com plantas com "operação caldeira", que fornecerá um rendi-mento melhor.

- Rendimento mais elevado por meio de umidificação de ar decombustão

O rendimento é ainda mais aumentado por 5 a 15% por meio deumidificação de ar de combustão.

- Emissões mais baixas

NOx térmico pode ser reduzido por injeção de água na, e ao re-dor da câmara de combustão, especialmente no caso de combustão de gáse de carvão.

Emissões de HCI, S02, Dioxinas etc., serão reduzidas quando aágua na unidade de condensação é neutralizada, por exemplo, com NaOH.

Emissões de partículas serão reduzidas quando os filtros foremutilizados, por exemplo, filtros de saco.

Deveria ser entendido que inúmeras mudanças e modificaçõesdas modalidades da invenção descritas acima poderiam ser feitas dentro doescopo das reivindicações anexas. Além disto, a utilização de combustívelsólido no método e sistema definidos pelas reivindicações, poderia ser subs-tituída por ou suplementada pela utilização de combustível gasoso e/ou lí-quido.

Claims (19)

1. Método para recuperação de calor a partir de gás quente pro-duzido em um reator térmico (1) alimentado com combustível sólido, o ditométodo compreendendo:injetar água para o interior do gás em uma ou mais zonas deinjeção (2, 3, 4, 7);passar em seguida o gás através de um trocador de calor decondensação (8) onde pelo menos algo do vapor d'água no gás é conden-sado e calor de condensação é liberado, eutilizar o calor de condensação para aquecimento de uma cor-rente de fluido, tal como água no trocador de calor,caracterizado pelo fato de que a água é injetada em tal quanti-dade e de tal maneira que, devido à evaporação da água injetada, a tempe-ratura do gás de chaminé é reduzida para abaixo de 400 0C1 e o ponto deorvalho do gás se torna pelo menos 60 0C,

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o ponto de orvalho do gás se torna pelo menos 70°C, preferivel-mente 80 ou 85°C.

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás dechaminé é reduzida para abaixo de 300°C, preferivelmente para 150 a 200°C.

4. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, carac-terizado pelo fato de que as zonas de injeção (2, 3, 4, 7) estão localizadasem um ou mais do reator térmico (1), zonas a jusante do reator térmico emuma direção de escoamento do gás, o combustível no reator térmico (1) e otrocador de calor (8).

5. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, carac-terizado pelo fato de que impurezas são removidas do gás por meio de umfiltro de saco (5), um ciclone, um eletro-filtro, um lavador, ou similar.

6. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, carac-terizado pelo fato de que impurezas são removidas da água condensada.

7. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, carac-terizado pelo fato de que o pH da água condensada é ajustado.

8. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, carac-terizado pelo fato de que pelo menos algo da água injetada no gás de cha-miné é vaporizado utilizando um bocal.

9. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, carac-terizado pelo fato de que parte da água injetada é injetada em uma veloci-dade acima de 20 m/s em uma direção de escoamento do gás.

10. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, carac-terizado pelo fato de que o fluido aquecido no trocador de calor (8) é aindaaquecido, por exemplo, por meio de um alimentador resfriado por fluido, umagrelha resfriada por fluido, superfícies resfriadas por fluido no reator ou ou-tras superfícies resfriadas ao redor do reator térmico.

11. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, ca-racterizado pelo fato de que o vapor d'água e o calor são transferidos parao ar de combustão que é conduzido para o reator térmico (1).

12. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, ca-racterizado pelo fato de que o reator térmico (1) é do tipo de leito fluido einjeção de água para o leito é utilizada para regular temperatura e condiçõesde escoamento no leito.

13. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, ca-racterizado pelo fato de que a água condensada do trocador de calor (1) éinjetada em uma ou mais zonas de injeção.

14. Sistema para decomposição de combustível sólido e para aprodução de fluido quente, o dito sistema compreendendo:um reator térmico (1) para decomposição do combustível e pro-dução de gás quente de chaminé a partir do combustível,um resfriador evaporativo com dispositivos de injeção de água,por exemplo, na forma de bocais para injeção de água para o gás de chami-né de modo que a água injetada evapora,dispositivo para controlar a injeção de água para o gás, eum trocador de calor de condensação (8) para condensar pelomenos algo do vapor cTágua no gás e utilizar o calor de condensação paraaquecer uma corrente de fluido, tal como água,caracterizado pelo fato de que o dispositivo para controlar ainjeção de água é adaptado para injetar a água de modo que, como resulta-do da evaporação de água injetada, a temperatura do gás seja reduzidaabaixo de 400°C e o ponto de orvalho do gás se torne pelo menos 60°C,.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopor ainda compreender um ou mais bocais para injetar água para um oumais do combustível no reator térmico (1), o reator térmico, e o gás de cha-miné em conexão com o trocador de calor (8).

16. Sistema de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracteri-zado por ainda compreender uma unidade de limpeza de gás na forma deum filtro de saco, eletro-filtro, lavador, ou similar.

17. Sistema de acordo com uma das reivindicações 14 a 16, ca-racterizado pelo fato de que tem dispositivo para conduzir pelo menos algodo fluido do trocador de calor (1) para uma outra unidade (11) para aqueci-mento adicional.

18. Sistema de acordo com uma das reivindicações 14 a 17,caracterizado por ainda compreender um trocador de entalpia (10) ondevapor d'água e calor são transferidos para o ar de combustão a ser adicio-nado ao reator (1).

19. Sistema de acordo com uma das reivindicações 14 a 18, ca-racterizado pelo fato de que compreende um reator de leito fluido com dis-positivo para injeção de água para o leito para ajustar temperatura, emissões(NOx) e condições de escoamento.