PT100794B

PT100794B - Gaseificador em leito fluidizado

Info

Publication number: PT100794B
Application number: PT10079492A
Authority: PT
Inventors: I Gulyurtlu
Original assignee: Ineti Inst Nac Engenh E Tecnol
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1999-12-31
Also published as: PT100794A

Description

DESCRICÃO

DA

PATENTE DE INVENÇÃO t

N.° 100.794

REQUERENTE: LNETI-Laboratório Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial·, Lda., portuguesa, Instituição de Investigação, com sede na Azinhaga dos Lameiros à Estrada do Paço do Lumiar, Lisboa

EPÍGRAFE: GASEIFICADOR COM LEITO FLUIDIZADO

INVENTORES: I. GULYURTLU, residente em Lisboa

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

INP1. MOQ 113 RF 10732 ) Ο Ο · V^o)

GASEIFICADOR EM LEITO FLUIDIZADO

MEMÓRIA DESCRITIVA

Resumo

O presente invento diz respeito a um gaseificador em leito fluidizado para biomassa florestal e outros tipos de resíduos, particularmente adaptado à queima de resíduos com alto grau de matérias voláteis. Ê essencialmente constituído por leito fluidizado (1), paredes refractárias (2), um permutador de calor (3) no interior do leito, um sistema de limpeza de gases (4), sistema de alimentação de combustível e de areia (5), um alimentador de vapor (6), um sistema de remoção de cinzas (7), um sistema de controlo de processo e uma fornalha externa. O gaseificador do presente invento utiliza o conceito alotérmico (gaseificação na ausência de ar) aplicado à gaseificação da biomassa.

O presente invento diz respeito a um gaseificador em leito fluidizado para biomassa florestal e outros tipos de resíduos, particularmente adaptado à queima de resíduos com alto grau de matérias voláteis.

Este novo gaseificador distingue-se de outros já existentes pelas seguintes considerações:

- 0 conceito alotérmico aplicado à gaseificação da biomassa;

- Um novo prato distribuidor o qual permite uma boa mistura de sólidos no leito por se conseguir velocidades do gás diferenciadas nas diferentes zonas no leito;

- Para potências de saída superiores a 5MW, o leito é dividido em compartimentos para se evitar grandes áreas de secção transversal em que a circulação do material do leito pode não ser eficiente;

- A interligação entre os compartimentos para melhorar a circulação dos sólidos;

- Uso de vapor somente como meio de gaseificação;

- Uso de paredes refractárias para fornecer ar quente à zona posterior do leito;

- Uso de Swirl na introdução do ar na zona posterior do leito;

- Uso de gases quentes no leito para introdução num permutador de calor;

- Paredes inclinadas na zona posterior do leito para melhorar a recirculação do gás com o objectivo de aumentar o tempo de residência do gás;

- Recirculação interna do gás entre compartimentos.

As características técnicas do gaseificador de leito fluidizado são estabelecidas pela sequência seguinte:

1) leito fluidizado

2) refractários

3) permutador de calor no interior do leito

4) sistema de limpeza de gases

5) sistema de alimentação de combustível e de areia

6) alimentação de vapor

7) sistema de remoção de cinzas

8) sistema de controle de processo

9) fornalha externa

Para melhor compreensão da descrição que se segue, apresenta-se em anexo uma folha de desenhos na qual se representa um gaseificador de leito fluidizado numa vista em alçado lateral.

1) Gaseificador gaseificador em leito fluidizado possui um leito (1) com uma área total que depende da potência pretendida. A secção transversal do leito é em geral quadrada e o calor transferido . . 2 para o leito é baseado no coeficiente de 250 kW/m °C, tal como —4-

obtido nos estudos feitos em instalação piloto. A pirólise da biomassa florestal liberta cerca de 75% do seu peso sob a forma de voláteis, a cerca de 850°C, devido ao alto teor em matéria volátil. Tendo em vista proporcionar tempo de permanência suficiente tanto para a volatilização como para a subsequente reacção do carbono com o vapor, a altura do leito é fixada durante a fase de instalação e testes. A altura total do gaseificador também varia com as necessidades do processo.

A placa de distribuição será do tipo pirâmide invertida com um ângulo de 85° em relação ao plano vertical.

A temperatura na secção do leito do gaseificador tem que ser mantida a cerca de 850°C porque a maioria das reacções de pirólise/gaseificação ocorrerão no leito a essa temperatura. 0 gaseificador funcionará à pressão atmosférica, com cerca de 25 mm coluna de água no seu topo.

A quantidade de biomassa florestal gaseificada dependerá da capacidade de produção pretendida e do poder calorífico da biomassa disponível.

O leito fluidizado é usado para assegurar a rápida volatilização das partículas de biomassa. A velocidade do gás através do leito será mantida entre 0,4 e 0,5 m/s.

A areia usada no leito como inerte será reposta de vez em quando, de modo a manter constante o nível do leito. Será observada a perda de carga ao longo do leito de forma contínua, por forma a assegurar e manter o valor pré-estabelecido.

Os gases produzidos pelo gaseificador à temperatura de 850°C alimentam um permutador de calor para reduzir a temperatura para cerca de 450°c.

Placa do distribuidor

Ê instalado um distribuidor tipo pirâmide invertida para proporcionar o meio fluído, o qual, no caso presente, é vapor. A placa distribuidora é fabricada em aço inox de alta qualidade e inclui os tubos distribuidores, cada com 8 injectores.

Caixa de alimentação do agente de gasificação

É um simples compartimento colocado sob a placa distribuidora, construído em aço macio com 4 mm de espessura, revestido interiormente com refractário. 0 lado exterior é ainda revestido com isolamento para minimizaras perdas de calor. A caixa de ar é em geral dividida em 4 compartimentos, cada um ligado a cada uma das faces da placa de distribuição.

2) Refractários (2)

À altura do leito do gaseificador haverá uma parede dupla, no interior da qual os gases quentes da fornalha auxiliar são circulados. A parede dupla é construída em aço inox especial, revestido com cerâmica resistente a alta temperatura do lado do leito. A parede externa é construída com matéria de alta temperatura. A parte superior do gaseificador, acima do leito, é revestida com refractário de alta temperatura, de 210 mm de espessura aproximadamente, e, além disso, leva também material isolante a partir de 1,2 metros acima da placa de distribuição até ao topo do gaseificador.

A natureza dos refractários será tal que deverão suportar a atmosfera redutora do gaseificador e ser resistentes a temperaturas até 1.200°C.

3) Permutador (3) inserido no interior do leito

Este é a fonte de calor requerida para a gaseificação. Os gases quentes produzidos na fornalha auxiliar circulam nos tubos do permutador fornecendo calor indirectamente ao gaseificador. 0 permutador é limitado à altura do leito e é construído em aço inox especial com revestimento de alta temperatura, em cerâmica, para aumentar a capacidade de resistência dos tubos à erosão e às variações térmicas. 0 permutador é constituído por duas unidades, uma o invólucro envolvendo o gaseificador, e a outra, o conjunto de tubos colocados dentro do leito. 0 gaseificador é alimentado com gases quentes a cerca de 950°C e saiem a cerca de 600°C. Estes gases quentes depois de sairem do gaseificador são misturados com os gases de exaustão da turbina e usados na caldeira de recuperação para produção de vapor. A área de transferência de calor no gaseificador depende da capacidade requerida.

4) Limpeza dos gases (4)

A conduta dos gases que saiem do gaseificador é em aço 306 ou 316. É isolada com fibra cerâmica de alta temperatura. São incorporadas também juntas de expansão para permitir a expansão térmica.

Encontram-se instalados 2 ciclones em série. Cada ciclone será revestido com refractário. Os ciclones serão projectados pelo LNETI e terão por base o nível máximo de emissões permitido. A temperatura de operação dos ciclones é de cerca de

-Ί-

800°C. A velocidade do gás à entrada é fixada em 20 m/s. Os produtos separados são intermitentemente reciclados de retorno ao gaseificador.

Após os ciclones, o gás é arrefecido até cerca de 450°C num arrefecedor usando água.

combustível gasoso é ainda arrefecido até 60°C num arrefecedor secundário, no qual é pré-aquecido o ar para a fornalha auxiliar. Os gases são divididos em dois fluxos, um para a turbina a gás e o outro para a fornalha. O gás para a turbina flui seguidamente através de um conjunto de filtros cerâmicos de modo a assegurar que o teor de partículas sólidas é inferior ao admitido pelas especificações da turbina.

5) Sistema de alimentação de combustível e areia (5)

Para a alimentação de combustível recorrer-se-á a dois sistemas diferentes. As partículas de biomassa florestal de dimensão inferior a 2 mm são transportadas pneumaticamente para o gaseificador, acima da placa de distribuição. As partículas de dimensão superior a 2mm são alimentadas por gravidade, a uma altura de cerca de um metro acima da placa de distribuição. Os caudais de alimentação estão relacionados com a quantidade disponível de cada grupo de partículas. 0 caudal alimentado é controlado automaticamente e está também relacionado com a temperatura e a quantidade de gás a produzir. A quantidade de vapor é fixada em função do carvão produzido durante a gasificação.

É utilizado um sistema de corte no sistema de alimentação, com incorporação de duas válvulas, que impedirão a entrada

de ar no gaseificador. Parte do vapor é usado como meio de transporte na alimentação pneumática.

6) Alimentação de vapor (6) vapor é fornecido a partir de uma caldeira. A quantidade máxima de vapor a utilizar no processo depende da capacidade do gaseificador. 0 vapor sobreaquecido é alimentado a 2 bar e a uma temperatura de 450°C.

7) Cinza e remoção do material

A maior parte da cinza produzida no leito fluidizado sai do gaseificador sob a forma de cinza volante. Os gases são enviados primeiramente a ciclones colocados na conduta de saída, recorrendo-se também a filtros de alta temperatura, por forma a melhor garantir uma limpeza eficiente dos gases para a turbina. Os gases que saiem do gaseificador são depois arrefecidos num permutador de calor, instalado a seguir aos ciclones.

Parte da cinza é removida do leito por meio de dois transportadores de parafuso sem fim colocados na base da câmara de combustão em leito fluidizado. Dependendo do tipo de cinza produzida, em algumas aplicações, esta poderá ser utilizada como material para o leito.

8) Sistema de controlo de processo (8) sistema de controlo permite um mínimo de supervisão manual durante o funcionamento e o arranque automático do gaseificador recorrendo-se a um sistema de controle remoto.

-90 gaseificador é dimensionado para funcionar a temperatura constante, com fornecimento constante de calor a partir do permutador inserido no seu interior. A quantidade e a temperatura do gás que circula no permutador serão fixadas de acordo com a quantidade de gás a produzir e a temperatura requerida para o processo de gasificação.

Serão instalados termopares na câmara de ar, em zonas activas do leito e na conduta principal da saída de gases. Estes termopares estão ligados à consola de comando para registo das várias temperaturas.

9) Fornalha auxiliar

Esta fornalha destina-se a gerar o calor necessário ao gaseificador, sendo igualmente utilizada para o seu aquecimento inicial. Ê um sistema simples e parte do combustível usado poderá ser o gás combustível produzido pelo gaseificador. O queimador é dimensionado e projectado pelo LNETI, com uma potência que depende da capacidade do gaseificador.

A fornalha é construída em chapa de aço, revestida com refractário na face interior. 0 ar para a combustão é pré-aquecido no 22 permutador usado para recuperação de calor contido nos gases combustíveis à saída do gaseificador. O pré-aquecimento variará de 80 a 170°C.

Lisboa, 20 de Agosto de 1992

J. PEREIRA DA CRUZ

Agente Oficial da Propriedade Industrial

RUA VICTOR CORDON, 10-A 3.° 1200 LISBOA

Claims

REIVINDICAÇÕES

1®. - Gaseificador em leito fluidizado para biomassa florestal e outros tipos de resíduos, particularmente adaptado à queima de resíduos com alto grau de matérias voláteis, essencialmente constituído por um leito fluidizado (1), paredes refractárias (2), um permutador de calor (3) no interior do leito, um sistema de' limpeza de gases (4), sistema de alimentação de combustível e de areia (5), um alimentador de vapor (6), um sistema de remoção de cinzas (7), um sistema de controlo de processo (8) e uma fornalha externa, caracterizado utilizar somente vapor como meio de gaseificação da biomassa, vapor esse que é introduzido por uma placa de distribuição do tipo pirâmide invertida com um ângulo de 85° em relação à vertical para proporcionar o meio fluido.
2a. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por apresentar um prato distribuidor que permite uma boa mistura de sólidos no leito por se conseguir velocidades do gás diferenciadas nas diferentes zonas do leito.
3â. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por a referida placa de distribuição incluir tubos distribuidores apresentando cada um, de preferência oito injectores.
4a. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por o leito poder ser dividido em compartimentos para evitar grandes áreas de secção transversal nos quais a circulação do material do leito pode não ser eficiente.

53. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado pela existência de uma interligação entre compartimentos para melhorar a circulação dos sólidos.

63. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por utilizar material refractário, nomeadamente no permutador de calor, para fornecer calor às reacções de gaseificação que se processam na zona do leito.

73. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por apresentar paredes inclinadas na zona posterior do leito para melhorar a recirculação do gás com o objectivo de aumentar o tempo de residência do gás.

83. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por se poder utilizar, na introdução do ar secundário na zona posterior do leito, entradas com um ângulo tal que assegure um turbilhão (swirl) de suficiente intensidade para assegurar uma boa mistura.

93. - Gaseificador em leito fluidizado de acordo com as reivindicações anteriores caracterizado por possibilitar a recirculação interna do gás entre compartimentos do leito.