BRPI0720947A2 - Método e instalação para a produção de energia elétrica em uma usina elétrica de turbina a gás/a vapor. - Google Patents
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Description
MÉTODO E INSTALAÇÃO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM
UMA USINA ELÉTRICA DE TURBINA A GÁS/A VAPOR
A presente invenção se refere a um processo para a produção de energia elétrica em uma usina elétrica de 5 turbina a gás e a vapor a partir de um gás de gaseificação gerado a partir de materiais carboniferos e de gás contendo oxigênio, referindo-se, ainda, a uma instalação para a condução deste processo.
Antecedentes da Invenção Aproximadamente nos meados do século XX foram
instaladas as primeiras usinas elétricas com uma turbina a gás e um aproveitamento do calor emitido conectado a uma turbina a vapor. Elas receberam na técnica a denominação de Usinas Elétricas de Turbinas a Gás/a Vapor ou também usinas 15 elétricas CC (Combined Cycle - de Ciclo Combinado). Estas usinas elétricas empregam como fonte de energia geralmente gás de petróleo, que pode ser convertido em energia mecânica em turbinas a gás, com um nível de eficiência suficiente. Devido a um alto grau de pureza do gás de 20 petróleo, é possível, além disso, se obter um funcionamento sem grandes problemas de corrosão de pás da turbina, mesmo a altas temperaturas. O gás de combustão quente da turbina a gás é empregado em uma caldeira de vapor conectada para a produção de pressão a alta pressão para se empregar em 25 turbinas de vapor d'água conectadas montante. Com esta combinação, podem ser obtidos então graus de eficiência elétrica mais altos para usinas termelétricas.
Outros combustíveis, principalmente combustíveis sólidos tais como carvão, não podiam ser empregados para esta técnica. A técnica IGCC (IntegratedGaseification Combined Cycle - de Ciclo Combinado de Gaseificação Integrada) que será descrita abaixo deve solucionar este problema. Com esta técnica é empregada uma instalação de gaseificação de carvão para a produção do gás de gaseificação necessário para a turbina a gás. Por meio da gaseificação do carvão pode ser produzido um gás com um grau de pureza suficiente para as exigências das turbinas a gás.
A preparação do gás de combustão que se produz durante a gaseificação é, no entanto, muito dispendioso com os gaseificadores convencionais. Impurezas em pó devem ser eliminadas. Além disso, dependendo do processo de gaseificação, todos os hidrocarbonetos orgânicos que podem ser condensados devem ser eliminados. Uma grande atenção deve ser também dada ao enxofre, que é um produto secundário durante a gaseificação ocorrendo em forma de H2S e COS. Através de etapas de purificação de gás podem ser atingida, no entanto um grau de pureza aceitável para as turbinas a gás.
Os resíduos como enxofre, cinzas de carvão assim como poluentes orgânicas e inorgânicas devem ser extraídos e levados a um aterro seguro ou serem desativados. Com estas operações incidem custos com a sua eliminação. No caso de uma separação do dióxido de carbono para seqüestro são necessárias instalações que devido às concentrações relativamente pequenas de dióxido de carbono no gás de combustão são dispendiosas, caras e não muito eficientes. Por este motivo, o monóxido de carbono é convertido, por meio da reação denominada reação de deslocamento, em dióxido de carbono, o que exige o acréscimo de mais um componente à instalação. Estado da Técnica
Descrição do Método do Processo de IGCC de um
Projeto Siemens
Separação de ar: Para a gaseificação é necessário oxigênio puro. Para tal fim o ar é comprimido pelo compressor da turbina a gás ou por um compressor separado para IMPa - 2 MPa (10 - 2 0 bar) e liqüefeito. A separação do oxigênio se produz por destilação a temperaturas de aproximadamente -200°C.
Gaseificação: Neste caso se produz um gás bruto, que consiste principalmente em monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) . Com vapor d'água o CO é convertido em CO2 e em mais hidrogênio. Para a gaseificação de combustíveis sólidos, tais como carvão ou coque de petróleo, existem três princípios metodológicos, dentre os quais predomina em IGCC a gaseificação por corrente arrastada: 0 pó de carvão é conduzido sob pressão com um gás propelente tal como nitrogênio a um combustor e convertido no gaseificador com oxigênio e hidrogênio em gás de síntese.
Resfriamento do gás bruto: 0 gás de síntese deve ser resfriado antes de um tratamento subsequente. Neste caso se produz Vapor d'água que concorre no interior da turbina de vapor d'água da Instalação de turbina a gas/a vapor para a geração de eletricidade.
Purificação: depois do resfriamento do gás, filtros retêm inicialmente partículas de cinzas, em seguida, dependendo da necessidade, pode ser ainda extraído o dióxido de carbono. Outros poluentes, tais como enxofre e metais pesados são ligados também por processos químicos e físicos. Isto simultaneamente traz a pureza necessária do combustível para fazer funcionar as turbinas de gás.
Combustão: 0 gás com alto teor de hidrogênio é misturado, antes da câmara de combustão da turbina a gás, com nitrogênio proveniente da separação de ar ou com vapor d'água. Isto faz descer a temperatura de combustão e impede assim praticamente a formação de nitrogênio. 0 gás de combustão que então se produz da combustão com ar incide sobre as pás da turbina a gás. Ele consiste essencialmente em nitrogênio, CO2 e vapor d'água. Com a mistura com nitrogênio ou com água, o teor de energia específico do gás é reduzido a aproximadamente 5000 kJ/kg. 0 gás de petróleo tem, no entanto, um teor de energia dez vezes maior. Por este motivo com o mesmo rendimento da corrente de massa de combustível através do combustor de turbina a gás, empregando-se uma usina elétrica IGCC, deve ser aproximadamente dez vezes maior.
Resfriamento do gás de combustão: Depois da expansão do gás de combustão na turbina a gás e depois da 20 subsequente utilização de calor de escape em um gerador de vapor o gás de combustão é liberado para a atmosfera. As correntes de vapor provenientes do resfriamento de gás bruto e de combustão são combinadas e conduzidas em conjunto para a turbina de vapor. Depois de se expandir na 25 turbina a vapor, o vapor chega, através do condensador e do recipiente de água de armazenagem, novamente ao circuito de água, mais exatamente do vapor. As turbinas a gás e a vapor são acopladas com um gerador, no qual se produz a conversão em energia elétrica.
3 0 Devido às temperaturas de combustão elevadas na câmara de combustão da turbina a gás por reação com o nitrogênio se produz uma contaminação alta com NOx no gás de combustão, que deve ser eliminado por medidas secundárias, tais como por processos SCR.
Outra limitação para uma usina elétrica de turbina
a gas/a vapor que funciona com gás de carvão ocorre também devido aos rendimentos atualmente limitados de gaseificação dos processos de gaseificação que são disponíveis no mercado.
Três variantes de processo foram introduzidas no
mercado:
- Processo de leito fixo para carvão em pedaços
Processo de camada turbulenta para carvão
granulado e
- Processo de poeiras arrastadas para pós de
carvão.
De todos estes processos foram desenvolvidas inúmeras variantes de processo que funcionam sob pressão, por exemplo, ou têm descarga de escória fluida. Alguns deles serão descritos abaixo.
Gaseificação de carvão em pedaços: LURGI
Este tipo de gaseificador já existe há muitas décadas e é empregado em todo o mundo na gaseificação de carvão. Além de hulha pode também ser empregada linhita em 25 condições modificadas de funcionamento. Uma desvantagem deste processo consiste na ocorrência de uma série de produtos secundários, tais como alcatrões, Iodos e compostos inorgânicos tais como o amoníaco. Por este motivo se torna necessário um tratamento e depuração dispendiosos 3 0 dos gases. Estes produtos secundários devem também ser aproveitados ou eliminados. Como vantagem pode-se contar com a longa experiência com este agregado, que vem sendo construído há mais de 7 0 anos. No entanto, devido à 5 modalidade de leito fixo somente podem ser empregados carvão em pedaços. Como meio de gaseificação utiliza-se uma mistura de oxigênio e/ou ar e vapor d'água. O vapor d'água é necessário para se moderar a temperatura de gaseificação, para que não seja ultrapassada a temperatura de fusão das 10 cinzas, uma vez que este processo funciona com uma descarga de cinzas sólidas. Deste modo o grau de eficiência da gaseificação é influenciado de modo negativo.
Com uma modalidade de alimentação de contra- corrente, com o perfil de temperatura do carvão, da 15 temperatura do ambiente, durante o fornecimento, até a temperatura de gaseificação praticamente não se ultrapassa a temperatura das cinzas. Com isso pressupõe-se que os gases de pirólise e alcatrões deixam o gaseificador juntamente com o gás bruto, e devem ser eliminados em uma
2 0 operação de depuração subsequente dos gases. Neste caso se
produzem produtos secundários semelhantes aos que se produzem em uma usina de coque.
Os gaseificadores de maior porte deste tipo processam aproximadamente 24 toneladas de carvão (daf - dry 25 and ash free [seco e isento de cinzas] ) /hora e produzem aproximadamente 2250 m3n de gás bruto/tonelada de carvão (daf) . Como produto secundário são produzidos 40-60 kg de alcatrão/tonelada de carvão (daf). A necessidade de oxigênio é de 0,14 m3n/m3n de gás. A pressão operacional se
3 0 encontra a 3 MPa. O tempo de permanência do carvão no gaseificador é de 1-2 horas. Os gaseificadores de maior porte tem um diâmetro interno de 3,8 m. Encontram-se até agora em funcionamento mais de 160 unidades.
Composição do gás no emprego de hulha (África do
5 Sul)
O 32,0 U CO 15, 8 H2 39,8 CH4 11, 8 CnHm 0,8% Gaseificador de camada turbulenta para carvão granulado
Atualmente existem disponíveis modalidades diferentes de construção, em que o gaseificador Winkler de alta temperatura deve ser considerado como a variante mais desenvolvida atualmente, uma vez que ele fornece uma pressão de aproximadamente 1,0 MPa e funciona a temperaturas mais elevadas do que outros gaseificadores de camada turbulenta. Existem atualmente duas unidades funcionando à base de linhita. A descarga de cinzas é seca. O rendimento, com uma tonelada de carvão/hora é, no entanto, demasiado baixo para poder cobrir as exigências de gás de uma instalação de IGCC. 0 gaseificador Winkler convencional fornece pressões demasiado baixas de aproximadamente 0,1 MPa. O rendimento deste gaseificador é de aproximadamente 2 0 toneladas de carvão/hora.
Gaseificadores com uma extração de escória fluida para resíduos de carvão e petróleo
Para a produção de gás de redução podem ser empregados também materiais carboníferos granulados. A característica comum destes processos é uma escória substancialmente fluida. Os processos abaixo são habitualmente empregados:
Processo de Koppers-Totzek 5 Como insumo empregam-se carvão granulado e
oxigênio. Para a regulagem da temperatura é adicionado vapor d'água. A escória é granulada em um banho de água. A temperatura elevada de gás é empregada para a obtenção de vapor d'água. Para as usinas elétricas IGCC a pressão é demasiado baixa.
Processo Prenflo
Como insumos são empregados carvão granulado e oxigênio. Trata-se neste caso de um aperfeiçoamento do processo Koppers-Totzek, que funciona sob uma pressão de 2,5 MPa e seria adequado para usinas elétricas IGCC. Não existem atualmente ainda instalações comerciais de vulto.
Processo Shell
Como insumos são empregados carvão granulado e oxigênio. Este processo tampouco está disponível ainda comercialmente em unidades de maior porte. Com uma pressão funcional de 2,5 MPa ele seria adequado para usinas elétricas IGCC.
Processo Texaco
Este processo se encontra em funcionamento em 25 muitas unidades há anos. 0 rendimento de passagem com aproximadamente 6-8 toneladas de carvão (daf)/hora, no entanto, para usinas elétricas IGCC com um maior rendimento demasiado pequeno. Devem ser usadas muitas instalações em paralelo, o que significa altos custos de investimento. Por 30 este motivo economicamente é inviável. A pressão funcional se encontra a 8 MPa.
Combustão OxyFuel
Com este processo não se busca uma gaseificação e sim uma combustão. Com o processo OxyFuel elimina-se o nitrogênio por meio da decomposição do ar de combustão. Como uma combustão com oxigênio puro elevaria demasiadamente as temperaturas de combustão, uma parte do gás de combustão é reciclada e substituída com nitrogênio do ar. O gás de combustão a ser alimentado consiste essencialmente somente ainda em CO2, depois do vapor d'água se ter condensado e as impurezas tais como SOx, NOx e poeira devem ser extraídos.
A liquefação do ar para a preparação do oxigênio é iniciada já em escala de nível técnico de até aproximadamente 5000 toneladas de 02/dia, que correspondem à utilização de uma usina termoelétrica a carvão de 300 MW 0 grande problema apresentado por instalações deste tipo consiste, no entanto, no alto emprego energético de aproximadamente 250-27 0 kWh/tonelada de O2, que com o aumento das exigências de pureza sobe mais ainda. Para a escória que é produzida das cinzas de carvão não existe nenhum meio de aproveitamento seguro.
Processo de redução de massa fundida
No processo de redução de massa fundida para a produção de ferro gusa a partir de carvão e minérios, principalmente de minérios de ferro, produzem-se gases de exportação com diferentes graus de pureza e potência calorífica, que podem ser levados a um aproveitamento térmico. Principalmente no caso de processos COREXsi e FINEXs o gás de exportação é de uma qualidade ideal para a combustão em turbinas a gás. Tanto o enxofre, como também poluentes orgânicos e inorgânicos foram eliminados do gás no processo metalúrgico. O gás de exportação destes processos pode ser empregado sem limitações para uma usina elétrica a gas/a vapor.
Uma instalação CC com uma Turbina a Gas Frame 9E com um rendimento de 169 MW foi montada na instalação da nova COREX® C-3 000 em Baoshan Steel na China através da General Electric.
A idéia de um acoplamento entre uma instalação
COREX® e uma instalação de usina elétrica com uma eficiência de energia de acordo com o sistema C não é nova. Já em 1986 foi solicitada e obtida uma patente (EP 0 269 609 BI) para estas formas da conversão extremamente
eficiente de energia. Uma oura patente (AT 3 92 079 B) descreve um processo de tipo semelhante, em que, por separação da fração fina e grossa, pode ser evitada a trituração do carvão.
Como para um funcionamento vantajoso de uma usina
2 0 elétrica IGCC é necessário oxigênio puro para a
gaseificação do material carbonífero, é possível uma produção integrada de oxigênio por meio dos gases de combustão produzidos na instalação de gaseificação. Isto é descrito na patente alemã DE 39 08 505 C2.
Na patente EP 90 890 037.6 é descrito um "Processo
para a produção de gases combustíveis em um gaseificador de massa fundida".
A desvantagem em todos os processos citados é que durante a combustão do gás de gaseificação na turbina a gás
3 0 se emprega ar. Deste modo são produzidas por um lado grandes quantidades de gás de combustão, o que é desvantajoso, pressupondo-se que devido à temperatura final limitada na corrente de utilização até a caldeira de calor cedido ocorrem perdas de calor entálpicas elevadas através do gás de combustão; por outro lado perde-se deste modo o alto grau de eficiência de usinas elétricas CC. 0 gás de combustão possui um teor alto de nitrogênio de até acima de 70%, o que dificulta consideravelmente o seqüestro de CO2, e exige, portanto, instalações de separação de grande porte e consequentemente dispendiosas.
No processo OxyFuel, o CO2 na verdade também é reciclado diretamente ao processo, no entanto, deve-se proceder primeiro a uma depuração dos gases para liberá-los de substâncias poluentes, o que é muito dispendioso. Os poluentes devem ser eliminados e por este motivo constituem uma poluição ambiental. Até agora não há instalações capazes de funcionamento. 0 problema da reutilização da escória também não foi solucionado.
Objetivo da presente invenção
A presente invenção tem como objetivo evitar e superar os problemas e inconvenientes citados acima associados com o estado da técnica anterior, e pretende propor um processo para a geração de energia elétrica em uma usina elétrica de turbinas a gás/a vapor, que permite a obtenção de energia com a produção de um mínimo de poluentes e um teor elevado de dióxido de carbono no gás de combustão com a finalidade de se obter um seqüestro mais econômico. 0 mais importante é se poder desativar todos os poluentes inorgânicos assim como compostos orgânicos do carvão no interior do processo, e simultaneamente para os poluentes que não podem ser destruídos, tais como enxofre ou componentes nocivos das cinzas de combustíveis, incorporá-los a produtos reaproveitáveis.
Este objetivo é atingido com um processo do tipo citado acima de acordo com a presente invenção fazendo-se com que
- os materiais carboníferos sejam gaseificados em uma zona de gaseificação de massa fundida com oxigênio ou com um gás com alto teor de oxigênio, que apresente uma um
teor de oxigênio de no mínimo 95% em volume, de preferência de pelo menos 99% em volume;
- o gás de gaseificação deste modo produzido seja conduzido através de uma zona de dessulfuração que contém um agente de dessulfuração, o agente de dessulfuração usado
seja carregado na zona de gaseificação de massa fundida, e seja extraído depois da formação de uma escória fluida,
- o gás de gaseificação dessulfurado seja queimado, de preferência depois de depuração e resfriamento, em uma câmara de combustão juntamente com oxigênio puro, e que se
2 0 conduzam os gases de combustão que se produzem, H2O e CO2
para a turbina a gás para gerar energia,
- os gases de combustão sejam separados, depois de passar pela turbina a gás, em uma caldeira de vapor d'água, em vapor d'água e dióxido de carbono,
- o vapor d'água seja conduzido em seguida para uma
turbina a vapor e
- o dióxido de carbono seja reciclado pelo menos parcialmente para a câmara de combustão, para regular a temperatura.
3 0 De acordo com uma modalidade preferida, na zona de dessulfuração, emprega-se ainda como adjuvante ferro e/ou minério de ferro, que juntamente com o agente de dessulfuração são carregados para a zona de gaseificação de massa fundida, sendo ali fundidos e extraídos.
É preferível que neste caso o ferro que é extraído
da zona de gaseificação de massa fundida seja reciclado à zona de dessulfuração.
Uma outra modalidade preferida da presente invenção é caracterizada pelo fato que se emprega ainda na zona de
dessulfuração minério de ferro, sendo o minério de ferro pré-aquecido e pré-reduzido na zona de dessulfuração, carregado juntamente como o agente de dessulfuração usado na zona de gaseificação de massa fundida, sendo ai reduzido exaustivamente, fundido e extraído em forma de ferro gusa.
Ê especialmente preferível neste caso que a
dessulfuração do gás de gaseificador assim como o pré- aquecimento e a pré-redução do minério de ferro sejam conduzidos em duas ou mais zonas de camada turbulenta dispostas uma depois da outra, sendo o minério de ferro
2 0 conduzido de uma zona de camada turbulenta para outra, e
que o gás do gaseificador atravesse as zonas de camada turbulenta no sentido contrário ao do minério de ferro.
Na zona de gaseificação da massa fundida, ajusta-se a temperatura, de preferência, a > 800°C, sendo ainda mais
preferível a > 850°C.
É vantajoso para todos os enxágues no processo, empregar-se CO2 ou misturas de CO, H2, CO2 e vapor d'água.
É preferível se empregar a escória fluida que se forma na zona de gaseificação da massa fundida para a
3 0 produção de cimento. A instalação de acordo com a presente invenção para a condução do processo acima abrange um gaseificador para material carbonífero, gaseificador este que apresenta uma alimentação para o material carbonífero, um conduto de 5 admissão para um gás contendo oxigênio, uma derivação para a escória fluida e uma derivação para o gás de gaseificador produzido; a instalação abrange ainda um dispositivo para a dessulfuração, que apresenta uma alimentação para o agente de extremidade de enxofre, uma alimentação para o gás de 10 gaseificador e uma derivação para o gás de gaseificador purificado; a instalação abrange ainda uma instalação de usina elétrica de turbinas combinadas a gás e a vapor d'água contendo uma câmara de combustão da instalação de turbina a gás, na qual desemboca um conduto para o gás de 15 gaseificador purificado e uma alimentação para o gás contendo oxigênio, e contém ainda uma caldeira de vapor d'água da instalação de turbina a vapor d'água, desembocando na caldeira um conduto para os gases de combustão que saem da turbina a gás, apresentando a 20 caldeira uma derivação para os gases de combustão; sendo a instalação para a condução do processo acima caracterizada pelo fato de que
- o gaseificador é projetado como gaseificador de massa fundida dotado com um leito de carvão e/ou carvão calcinado, e é dotado com uma sangria para a escória fluida,
o conduto de admissão para o gás contendo oxigênio consiste em um conduto de admissão para oxigênio ou um gás com alto teor de oxigênio que apresenta uma
3 0 proporção de oxigênio de pelo menos 95% em volume, de preferência de pelo menos 99% em volume,
- a derivação para o gás de gaseificador produzido no gaseificador de massa fundida desemboca no dispositivo de dessulfuração,
-o dispositivo de dessulfuração é projetado em
forma de pelo menos um reator com um leito circulante ou de camada agitada, que é conectado de modo semelhante a um conduto ao gaseificador de massa fundida para a alimentação do agente de dessulfuração usado,
a alimentação para o gás contendo oxigênio
consiste em uma alimentação para oxigênio puro, e
- da derivação para os gases de combustão se forma uma ramificação dotada com um dispositivo de regulação e que desemboca na câmara de combustão.
Consoante uma modalidade preferida, o pelo menos um
reator de dessulfuração apresenta uma alimentação para ferro e/ou minério de ferro e é previsto no gaseificador de massa fundida, além disso, uma sangria para ferro gusa.
É preferível que o orifício de sangria para ferro gusa seja no caso ligado de modo semelhante a um conduto com a alimentação para ferro e/ou minério de ferro.
Uma outra modalidade preferida da instalação é caracterizada pelo fato de que o dispositivo de dessulfuração é projetado em forma de uma cascata de 25 reatores de camada turbulenta, desembocando uma alimentação para minério fino no primeiro reator de camada turbulenta disposto na cascata na direção do transporte do material, sendo entre os reatores de camada turbulenta prevista tanto uma conexão semelhante a um conduto para o gas de
3 0 gaseificador, como também uma para o minério fino e o agente de dessulfuração; a derivação para o gás de gaseificador produzido no gaseificador de massa fundida desemboca no último reator de camada turbulenta último disposto, sendo este último reator conectado como um conduto com o gaseificador de massa fundida para a alimentação do agente de dessulfuração usado assim como do minério fino pré-aquecido e pré-reduzido, e pelo fato de que no gaseificador de massa fundida é prevista uma sangria para ferro gusa.
Descrição da Invenção
A gaseificação do combustível carbonífero ou do carvão se produz com oxigênio puro ou com gás com alto teor de oxigênio, para que se produza como gás de gaseificador somente monóxido de carbono, hidrogênio e quantidades pequenas de dióxido de carbono e vapor d'água, e para que nenhum nitrogênio atinja o processo ou então quantidades muito pequenas de nitrogênio. Com o ajuste da temperatura para > 800°C na câmara de gás do gaseificador de massa fundida, pode ser reduzida de modo eficiente, depois de um tempo de permanência do gás de muitos segundos, a poluição do gás por produtos orgânicos.
Para se introduzir as matérias primas da pressão atmosférica para o interior da instalação a alta pressão, um recipiente intermediário deve ser alternadamente comprimido e expandido com comportas denominadas comportas de pressão (Interlockings) , para se poder efetuar o transporte de material. Como gás inerte para estes processos de compressão geralmente é empregado o nitrogênio. Como gás inerte para todos os enxágues no processo, no entanto, é empregado, de acordo com a presente invenção, principalmente CO2, ou então são empregadas misturas de CO, H2, CO2 e vapor d'água, isso para impedir a entrada de nitrogênio ou de outros gases que seriam difíceis de serem eliminados.
Como gaseificador é empregado um gaseificador de massa fundida modificado, que funciona com um leito fixo ou com leito de carvão parcialmente fluidificado/leito de carvão calcinado, sendo produzida neste caso somente escória fluida das cinzas de carvão.
De acordo com a presente invenção é prevista para a dessulfuração dos gases uma câmara de dessulfuração permeada por gás de gaseificador ou um reator de leito circulante, sendo o agente de dessulfuração, tal como calcário, por exemplo, depois de ter sido usado, carregado no gaseificador de massa fundida, para produzir uma escória que pode ser utilizada na indústria de cimento. Deste modo podem ser evitados resíduos. Esta escória absorve também outros poluentes provenientes das cinzas das substâncias utilizadas. Estes poluentes são incorporados de modo seguro ao cimento e não apresentam mais nenhum risco ambiental.
De acordo com uma modalidade da presente invenção carregam-se na zona de dessulfuração além do agente de dessulfuração partículas de ferro ou minério de ferro, que também incorporam os compostos de enxofre provenientes do gás de gaseificador, sendo convertidos pelo carregamento no gaseificador em escória capaz de ser transformada em cimento e ferro fundido. 0 ferro que é extraído pela sangria pode ser reconduzido à zona de dessulfuração e ser reciclado sem nenhuma perda significativa de ferro. 0 ferro fundido que se encontra no forno do gaseificador de massa fundida alivia, além disso, de modo vantajoso a sangria da escória, principalmente depois de paralizações da instalação, quando a escória endurece e não pode ser mais fundida com meios convencionais. O ferro que se encontra no forno pode ser fundido por meio de oxigênio através da sangria e forma-se com a escória endurecida uma mistura fluida de ferro oxidado e escória. Deste modo um gaseificador de massa fundida "resfriado" pode ser novamente colocado em funcionamento.
Na zona de dessulfuração podem ser carregados também partículas de ferro e minério de ferro assim como aditivos, tais como, por exemplo, calcário. 0 ferro gusa extraído pode ser subsequente processado de modo convencional, em aço, por exemplo.
Em vez do reator de leito circulante para a dessulfuração pode também ser empregado um reator de camada turbulenta ou para se manter dentro de limites convencionais o tempo de permanência do material utilizado em uma cascata de camada turbulenta. Deste modo pode também ser empregado insumo de pequena granulometria com tamanhos de partículas < 10 mm.
Neste caso resulta como no caso de altos fornos e também no caso de instalações de redução direta gás excedente, que ainda possui um teor de energia considerável (gás de exportação).
Exemplos da composição de tais gases de exportação:
% de % de % de % de ppm de % de N2 Hu CO H2 CO2 CH4 H2S MJ/m3n COREX* 35-40 15-20 33-35 1-3 10-70 4-6 7,5 gás de 17-20 1-2 20-25 Resíduo 3,5-4 alto forno FINEX® 35-40 15-20 35 1-3 10-70 4-6 7,5 Este gás pode ser queimado como gás de gaseificador
em uma turbina a gás. Para tal fim, visando não se introduzir nenhum nitrogênio ou somente uma quantidade muito pequena dele, no gaseificador de massa fundida 5 emprega-se oxigênio puro ou um gás com teor elevado de oxigênio tendo um teor de pelo menos 95% em volume de O2, de preferência de pelo menos 99% em volume de O2.
Para se fazer cair as temperatura de combustão elevadas para a região ótima para as turbinas, emprega-se com um moderados de acordo com a presente invenção dióxido de carbono puro reciclado. Na turbina a gás emprega-se CO2 para regular a temperatura na câmara de combustão, pois CO2 possui em relação ao nitrogênio uma capacidade calorífica específica essencialmente maior e por este motivo produzem- se volumes menores de gás. Isto leva a instalações menores e consequentemente mais econômicas. Este CO2 pode ser colocado a disposição por reciclagem de uma parte do gás de combustão. Devido à ausência de N2 na mistura de gás de combustão (causada pelo emprego de oxigênio puro ou de um gás com um teor de no mínimo 99% em volume de O2) não pode se acumular nenhum NOx poluente.
Com o alto teor de CO2 no gás de exaustão proveniente da turbina a gás que se obtém com a presente invenção é possível, devido a uma irradiação elevada em relação aos gases de combustão contendo nitrogênio, uma melhor utilização de energia na caldeira de vapor d'água consecutiva. Deste podo pode ser obtido um rendimento especificamente mais elevado do setor de caldeiras.
Uma outra vantagem consiste no fato de que, devido aos volumes menores de gás, também nas caldeiras de aproveitamento de calor consecutivas, pode-se projetar os condutos de gás e dispositivos de tratamento de gás tendo menores dimensões, sendo, portanto, mais econômicos.
Uma concentração do CO2 obtido no gás de exaustão da caldeira de vapor não é necessário (como era necessário nos processos empregados até agora) , uma vez que não se obtém no gás de combustão nenhum gás de carga, e o vapor d'água obtido não representa nenhum problema.
A eliminação do vapor d'água que se obtém nos gases de combustão pode ser conduzida de modo simples e econômico por condensação de acordo com diversos processos conhecidos tais como por resfriamento por injeção ou por troca indireta de calor.
O CO2 deste modo obtido pode ser empregado por recirculação à turbina a gás por um lado como moderador de temperatura sem custos essenciais e por outro lado pode ser conduzido de modo conhecido a um seqüestro.
Com o processo de acordo com a presente invenção, além disso, não é necessária nenhuma eliminação dispendiosa de H2S/C0S. Tampouco é necessária uma instalação para tal fim. Tampouco é necessária uma reação de deslocamento e com ela uma instalação cara e grande consumidora de energia.
Exemplo
A Figura 1 ilustra uma modalidade da presente invenção.
No reator de leito circulante 1 o minério 2 e os aditivos 3, tais como calcário, são carregados através de dispositivos de fornecimento. 0 leito de fusão 2 0 deste modo formado é pré-aquecido na contra-corrente com o gás com a poeira extraída proveniente do ciclone 6, parcialmente calcinado e parcialmente reduzido. Em seguida este leito de fusão 21 (parcialmente) reduzido é transportado por meio de dispositivos através do espaço livre 13 do gaseificador de massa fundida 4 para o seu leito de carvão calcinado 12. O leito de carvão calcinado 12 é formados por pirólise a altas temperaturas de materiais carboníferos 7 que saem dos depósitos de carvão 18, 19, através dos gases de gaseificação quentes dos bocais que insuflam o oxigênio 40. Neste leito de carvão calcinado quente 12 o leito de fusão 21 (parcialmente) reduzido é reduzido exaustivamente e calcinado, sendo em seguida fundido formando ferro gusa 14 e escória 15. As relações de temperaturas no leito de carvão calcinado 12 podem ser observadas no digrama ilustrado na Figura 1 a título de exemplo.
O ferro gusa 14 e a escória 15 são descarregados a intervalos através do orifício de sangria 16. Consoante uma outra modalidade, a escória 16 é extraída separadamente do ferro gusa 14 através de um orifício de sangria próprio 17 (ilustrado em linhas tracejadas). O ferro gusa extraído pode então novamente ser reciclado, visando uma nova utilização como agente de dessulfuração, para o reator circulante 1 (Conexão 16a, ilustrada em linhas tracejadas).
O gás bruto (gás no gaseificador) 5 deixa o gaseificador de massa fundida 4 na extremidade superior do espaço livre 13 e é purificado no ciclone 6 liberado de poeiras 8 quentes, que são recicladas juntamente com o oxigênio 4 0 alimentado através de válvula de regulagem 41 para o espaço vazio 13 do gaseificador de massa fundida 4, sendo ali gaseificado e fundido. A massa fundida que neste 5 caso se produzi é absorvida pelo leito de carvão calcinado 12 e transportada a jusante para um banho de escória, e ferro gusa 14, 15. 0 gás desprovido de poeiras 5 entra a temperaturas de 800 °C, por exemplo, no reator de leito circulante 1, sendo executadas, em seguida, as reações 10 descritas; o gás é neste caso oxidado e resfriado até um grau termodinamicamente predeterminado. Na extremidade superior do reator de leito circulante 1 o gás bruto de exportação 22 sai do reator. Como ele ainda contém poeiras, ele é depurado em um extrator de poeiras consecutivo e 15 resfriado em um resfriador 39. Este pode ser configurado de tal modo, que uma grande parte da entalpia deste gás pode ser recuperada.
O gás purificado e resfriado é comprimido em um compressor 24 até a pressão necessária para a combustão na 20 câmara de combustão 25 da turbina a gás 30, sendo submetido a combustão na câmara de combustão 25 juntamente com o oxigênio 4 0 e com os gases de combustão 28 (essencialmente dióxido de carbono) comprimidos na etapa de compressão 27. Os gases de combustão atravessam em seguida a turbina a gás 25 30, sendo a energia mecânica produzida então transferida para o gerador 29 acoplado.
O gás de exaustão ainda quente que sai da turbina a gás 30 é conduzido agora à caldeira a vapor consecutiva 31. Nesta é produzido vapor d'água quente, que é empregado na turbina a vapor d'água consecutiva 32 para a geração de energia mecânica, que será transferida para o gerador 33. 0 vapor d'água processado é condensado em um condensador 34 e levado a um acumulador intermediário 36. 0 condensado é reciclado à caldeira a vapor d'água 31 através da bomba de 5 condensado 37.
Os gases de combustão 28 que saem da caldeira a vapor 31 consistem em dióxido de carbono puro e uma pequena quantidade de vapor d'água. Eles podem ser conduzidos agora, para terem a temperatura ajustada, para a câmara de 10 combustão 25 através do dispositivo de regulagem 26 e do compressor 27. 0 resíduo depois da condensação do conteúdo de vapor d'água pode ser conduzido para seqüestro ou sem tratamento emitido para a atmosfera.
No caso de se empregar minério fino, em vez do reator de leito circulante 1 é instalado um reator de camada turbulenta ou uma cascata consistindo em pelo menos dois reatores de camada turbulenta.
Claims (11)
1. Processo para a produção de energia elétrica em uma usina elétrica a turbinas a gás e a vapor a partir de um gás de gaseificação produzido por material carbonífero e por gás contendo oxigênio, sendo os materiais carboníferos gaseificados em uma zona de gaseificação de massa fundida com oxigênio ou com um gás com um alto teor de oxigênio, gás este que apresenta um teor de oxigênio de no mínimo 95% em volume, de preferência de no mínimo 99% em volume, sendo o gás de gaseificação deste modo produzido conduzido através de uma zona de dessulfuração contendo agente de dessulfuração, sendo o agente de dessulfuração usado carregado para uma zona de gaseificação de massa fundida, sendo extraído depois da formação de uma escória fluida, sendo o gás de gaseificação dessulfurado, de preferência depois de depuração e resfriamento, queimado juntamente com oxigênio puro em uma câmara de combustão e sendo os gases de gaseificação, H2O e CO2 que se formam conduzidos para a turbina a gás para a produção de energia, sendo os gases de combustão, depois da turbina a gás, separados em uma caldeira de vapor d'água em vapor d'água e dióxido de carbono, sendo em seguida o vapor d'água conduzido para uma turbina a vapor d'água, e sendo o dióxido de carbono pelo menos parcialmente reciclado para a câmara de combustão para ajustar a temperatura, caracterizado pelo fato de que na zona de dessulfuração emprega-se ainda minério de ferro, para ser carregado juntamente com o agente de dessulfuração usado para a zona de gaseificação de massa fundida, sendo ali fundido e extraído.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na zona de dessulfuração é empregado ainda ferro como adjuvante, que juntamente como o agente de dessulfuração usado é carregado para a zona de gaseificação de massa fundida, sendo ali fundido e extraído.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o ferro extraído da zona de gaseificação de massa fundida é reciclado para a zona de dessulfuração.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o minério de ferro que é empregado adicionalmente na zona de dessulfuração, é pré- aquecido e pré-reduzido na zona de dessulfuração, carregado na zona de gaseificação de massa fundida juntamente com o agente de dessulfuração usado, sendo ali reduzido, fundido e extraído como ferro gusa.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a dessulfuração do gás de gaseificação assim como o pré-aquecimento e a pré-redução do minério de ferro são conduzidos em duas ou mais zonas de camada turbulenta dispostas uma depois da outra, sendo o minério de ferro conduzido de uma zona de camada turbulenta para outra, e atravessando o gás de gaseificação as zonas de camada turbulenta na direção contrária à do minério de ferro.
6. Processo, de acordo com uma das reivindicações1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que na zona de gaseificação de massa fundida é ajustada uma temperatura >800°C, de preferência > 850°C.
7. Processo, de acordo com uma das reivindicações .1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que para todos os enxágues no processo é empregado CO2 ou são empregadas misturas de CO, H2, CO2 e vapor d'água.
8. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que a escória fluida que se forma na zona de gaseificação de massa fundida é empregada na produção de cimento.
9. Instalação para a condução do processo dA reivindicação 1, abrangendo um gaseificador para material carbonífero (4), que apresenta uma alimentação para o material carbonífero (7), um conduto de admissão para um gás com um teor de oxigênio (40) , uma derivação para a escória fluida (15) e uma derivação para o gás de gaseificador produzido (5), abrangendo ainda um dispositivo de dessulfuração (1) que apresenta uma alimentação para o agente de dessulfuração (3) e uma derivação para o gás de gaseiFicador purificado (22), desembocando nesta derivação uma alimentação para o gás de gaseificador (5), abrangendo ainda uma instalação de usina elétrica a turbina a gás e vapor combinada tendo uma câmara de combustão (25) da instalação de turbina a gás, desembocando nesta instalação de turbina a gás um conduto para o gás de gaseificador purificado (22) e uma alimentação (4 0) para gás com um teor de oxigênio ou para um gás com um teor alto de oxigênio, sendo a proporção de oxigênio deste de pelo menos 95% em volume, de preferência de pelo menos 99% em volume, tendo tal instalação de usina elétrica de turbina a gás e vapor ainda uma caldeira de vapor d'água (31) na qual desemboca um conduto que sai da turbina a gás (30) destinado para os gases de combustão e apresentando a caldeira uma derivação para gases de combustão (28), apresentado o gaseificador (4) como um gaseificador de massa fundida um leito de carvão e/ou de carvão calcinado (12) e sendo dotado com uma sangria (16, 17) para a escória fluida (15), desembocando a derivação para o gás de gaseificador (5) que é produzido no gaseificador de massa fundida no dispositivo de dessulfuração, e sendo o dispositivo de dessulfuração projetado em forma de pelo menos um reator (1) com leito circulante ou turbulento, caracterizada pelo fato de que o reator (1) é conectado de modo semelhante a um conduto com o gaseificador de massa fundida (4) para a alimentação do agente de dessulfuração (21) usado, e pelo fato de que a derivação para gases de combustão (28) se ramificada da turbina a gás (3 0) um conduto ramificado dotado com um dispositivo de regulagem (26), desembocando o conduto ramificado na câmara de combustão (25) e sendo os gases de combustão separados na caldeira de vapor d'água (31), depois de passarem pela turbina a gás, em vapor d'água e dióxido de carbono, de modo que o vapor d'água em seguida possa ser conduzido a uma turbina a vapor d'água (32), apresentando o pelo menos um reator (1) um conduto de admissão para ferro e/ou minério de ferro (2) e sendo previsto no gaseificador de massa fundida (4) ainda uma sangria (16) para o ferro gusa (14).
10. Instalação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a sangria (16) para o ferro gusa (14) é conectada de modo semelhante a um conduto à alimentação para ferro e/ou minério de ferro (2).
11. Instalação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o dispositivo para a dessulfuração é projetado em forma de uma cascata de reatores de camada turbulenta, desembocando uma alimentação para minério fino, no reator de camada turbulenta que na cascata é o primeiro disposto, observando-se na direção do transporte de material, pelo fato de que é previsto entre os reatores de camada turbulenta uma conexão semelhante a conduto para o gás de gaseificador e uma conexão para o minério fino e o agente de dessulfuração, desembocando a derivação para o gás de gaseificador produzido no gaseificador de massa fundida no reator de camada turbulenta que é o último disposto, sendo o reator ligado de modo semelhante a conduto com o gaseificador de massa fundida para a alimentação do agente de dessulfuração usado e do minério fino pré-aquecido e pré-reduzido e sendo prevista no gaseificador de massa fundida uma sangria para o ferro gusa.
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