PT1365192E - Caldeira e um método para queimar combustível numa caldeira - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "CALDEIRA E UM MÉTODO PARA QUEIMAR COMBUSTÍVEL NUMA CALDEIRA" A invenção refere-se a uma caldeira de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 anexa. A invenção também se refere a um método para queimar combustível numa caldeira.

Tal caldeira e este método são divulgados no documento FR1217518A. A variedade de combustíveis a queimar numa caldeira é, muitas vezes, grande. É possível queimar combustíveis melhores e mais pobres na mesma caldeira. Em particular, a queima de diversos tipos de conjuntos de resíduos é exigente em termos de, por exemplo, a temperatura de queima, o tempo de retenção, etc. A corrosão é um grande problema, que deve ser controlado pela escolha de materiais e, em caldeiras de leito fluidizado, por exemplo, por meio de um permutador de calor no leito fluidizado. Na prática, a temperatura máxima de vapor é, normalmente, menor numa caldeira de incineração de resíduos do que em outras caldeiras.

Uma caldeira multi-combustível tem de ser concebida como uma caldeira para resíduos, se os resíduos pertencerem à variedade de combustíveis. Um combustível auxiliar dispendioso, por exemplo, óleo, tem de ser queimado em cargas parciais para manter a temperatura mínima necessária. Os materiais especiais para sobreaquecedores são dispendiosos e a relação potência-calor da caldeira permanece baixa, devido à baixa temperatura de 1 sobreaquecimento. Permutadores de calor de leito fluidizado sao complexos e dispendiosos. A patente Finlandesa 102395 e correspondente patente Europeia 614500 apresentam um método para a recuperação de energia a partir de licores gastos em processos de fabrico de pasta de papel. O método refere-se ao passo em que, no processo de fabrico de pasta de papel, a energia é recuperada da parte orgânica do licor gasto no processo, numa caldeira, uma assim denominada caldeira de recuperação de soda. O método utiliza a gaseificação do licor gasto, em que os gases produzidos podem ser queimados numa caldeira separada, uma, assim denominada, caldeira de sobreaquecimento. O ponto de partida para o método é o mesmo combustível que é processado para produzir uma fracção que pode ser utilizado separadamente para o sobreaquecimento final do vapor a uma temperatura elevada.

Uma caldeira de aquecimento de pequena escala para a queima simultânea de óleo e resíduos sólidos é divulgada na patente Alemã 1166964. O calor produzido por um queimador de óleo pode ser utilizado para a queima de resíduos colocados numa câmara separada, a qual, por seu lado, transfere calor para a água a partir da qual o calor é transferido para um meio de transferência de calor propriamente dito em circulação num permutador de calor. Esta não é uma caldeira de escala industrial para a produção de vapor sobreaquecido.

Caldeiras tendo dois fornos, que são dimensionados para queimar combustível semelhante, são divulgados pelos documentos US-A-3017870 e JP-A-10009545, que também mostram o sobreaquecedor final num dos fornos. 2 0 objectivo da invenção é eliminar as desvantagens acima mencionadas e proporcionar uma caldeira à escala industrial para a produção de vapor sobreaquecido para evitar as referidas desvantagens. Esta é uma caldeira principalmente destinada para a produção de energia e para a combustão de um combustível primário com um bom valor térmico e uma qualidade uniforme (por exemplo, um biocombustível, tal como turfa), cuja caldeira também pode ser utilizada para a incineração de resíduos. Para atingir este objectivo, a caldeira de acordo com a invenção é caracterizada, principalmente, pelo que será apresentado na parte caracterizadora da reivindicação 1 anexa. A estrutura da caldeira permite queimar um combustível com um valor calorífico mais elevado e um combustível com um valor calorífico inferior, tal como um combustível sujeito à directiva de resíduos, separadamente, em diferentes fornos. 0 melhor combustível pode ser utilizado para sobreaquecer o vapor produzido até uma temperatura final. Cada forno está dotado com superfícies de transferência de calor, através das quais o calor produzido durante a queima do combustível é transferido para a água, a partir da qual se produz vapor. 0 primeiro forno está dimensionado como uma caldeira que queima um combustível de boa qualidade. A parte de incineração de resíduos da caldeira está dimensionada como uma caldeira de resíduos, respeitando as exigências quanto à temperatura de combustão e tempo de retenção. Naturalmente, também é possível queimar combustíveis menos exigentes na parte de incineração de resíduos. Em princípio, também é possível queimar exactamente o mesmo combustível primário destinado à produção de energia em ambos os fornos. 3

Os fornos diferenciados da caldeira podem ser colocados na mesma armação. Ambos os fornos podem ser colocados dentro das mesmas paredes externas e estão separados um do outro por uma parede divisória no seu interior. Ambos os fornos também podem partilhar uma grelha comum, em cujo nível os processos de combustão são diferenciados por meios de controlo específicos de tubo da grelha de tubos, que podem ser utilizados para dividir a grelha em duas partes, para serem controladas de forma independente uma da outra.

Ambos os fornos da caldeira estão dotados com superfícies de transferência de calor, bem conhecidas, para a transferência de calor produzido durante a combustão para a água, a partir da qual o vapor é produzido por acção do calor do processo de combustão da caldeira. Um canal para gases de combustão colocado após os fornos pode ser dotado com superfícies de transferência de calor residual, bem conhecidas, para a recuperação de calor dos gases de combustão. Em princípio, a caldeira pode ser uma caldeira para queimar qualquer combustível e produzir vapor sobreaquecido para a indústria (incluindo a indústria de produção de energia), incluindo caldeiras para centrais eléctricas e centrais industriais e instalações de aquecimento urbano e podem funcionar, por exemplo, segundo o princípio de um leito fluidizado.

Em seguida, descreve-se a invenção em mais detalhe recorrendo aos desenhos anexos, nos quais

Fig. 1 mostra uma forma de realização da caldeira,

Fig. 2 mostra uma segunda forma de realização da caldeira, e 4

Fig. 3 a 6 mostram, em vistas em planta, algumas formas de realização vantajosas relacionadas, principalmente, com os tubos na grelha e com o fornecimento do combustível. A Figura 1 mostra uma caldeira compreendendo um forno 1 para a queima de um combustível, um sobreaquecedor 2 final para produzir vapor de água sobreaquecido na parte superior do forno, e um canal 3 de gases de combustão, através do qual os gases de combustão produzidos durante a combustão no forno são evacuados. A caldeira de combustível está dotada com as assim denominadas superfícies de transferência de calor para a produção de vapor a partir de água. A energia do vapor produzido pode ser utilizada.

Na caldeira mostrada na Fig. 1, o forno 1 está dividido em duas partes, um primeiro forno la e um segundo forno lb. Os processos de combustão dos fornos la e lb são diferenciados entre si. Cada forno la, lb está dotado com uma fonte de abastecimento de combustível própria, através da qual se pode fornecer combustível de forma independente da fonte de abastecimento de combustível do forno adjacente. No primeiro forno, queima-se um melhor combustível para atingir uma temperatura suficientemente elevada para o sobreaquecimento do vapor. Devido a isso, o sobreaquecedor 2 final do processo de produção de vapor para fazer com que o vapor sobreaquecido atinja a temperatura final, é colocado na parte superior do primeiro forno la, através do qual os gases produzidos durante a combustão são conduzidos para o canal 3 de gases de combustão. Ao mesmo tempo, podem evitar-se problemas de corrosão no sobreaquecedor se o combustível a queimar no forno la for seleccionado com essa finalidade. 0 segundo forno lb é utilizado para a queima de um combustível com propriedades de combustão mais pobres, tal como resíduos. Nesta parte, é possível envidar 5 esforças para conseguir um tempo de retenção e temperatura exigidos pela directiva relativa aos resíduos ou em outros regulamentos, quando se incineram resíduos no seu interior. Da mesma forma, os componentes nocivos dos gases de combustão produzidos pelos resíduos deixam de ser um problema em sobreaquecedores quentes. Os gases de combustão circulam desde este segundo forno lb para o canal 3, no qual se misturam com os gases de combustão provenientes do primeiro forno la.

Os gases de combustão do segundo forno lb juntam-se aos gases de combustão que circulam no canal 3 de gases de combustão e originários no primeiro forno la, depois do sobreaquecedor 2 final, na direcção de escoamento dos gases de combustão.

Agora, a caldeira pode ser concebida para uma temperatura de vapor elevada porque, por exemplo, os gases de combustão tendo um elevado teor de cloro (e originários do processo de combustão do segundo forno lb) não atingem o sobreaquecedor 2 final da temperatura elevada. Apenas os gases de combustão do primeiro forno la passam através do sobreaquecedor 2 final.

Estruturalmente, os fornos la, lb são colocados ao lado um do outro de modo a ficarem separados por uma parede lc divisória vertical. Os fornos podem, assim, ser formados dentro de paredes externas comuns. Estas paredes externas estão dotadas com superfícies de transferência de calor, bem conhecidas, para a transferência de calor para a água, para produzir vapor. As superfícies de transferência de calor podem ser paredes tubulares com uma estrutura conhecida, circulando a água e o vapor formado nos tubos das paredes. A Figura 1 também mostra que a parede lc divisória tem uma parte superior inclinada de modo a que o segundo forno lb fique localizado, pelo menos 6 parcialmente, na figura, completamente por baixo da parede divisória e, também parcialmente, por baixo do sobreaquecedor 2 final do primeiro forno la. Adjacente às paredes externas partilhadas pelo fornos la e lb, ou seja, ao lado da parede externa do segundo forno lb no caso mostrado na Fig. 1, encontra-se a parte dirigida para baixo do canal 3 de gases de combustão. A saída do segundo forno lb para o canal de gases de combustão é depois da do primeiro forno la e as entradas 3a, 3b correspondentes para a primeira parte dirigida para baixo do canal 3 de gases de combustão ficam, assim, localizadas uma por baixo da outra. Na parte mais baixa do canal de gases de combustão existe uma bolsa ou semelhante para recolher material separado dos gases de combustão. Em seguida, o canal 3 é dirigido para cima e está dotado com superfícies 5 de transferência de calor residual funcionando como permutadores de calor. Quando os gases de combustão provenientes de ambos os fornos la, lb, i. e., os gases provenientes do primeiro forno la que arrefeceram no sobreaquecedor 2 e os gases provenientes do segundo forno lb que não arrefeceram no sobreaquecedor e têm uma temperatura mais elevada, são misturados no canal 3 de gases de combustão, sendo a temperatura crítica alcançada, de um modo relativamente fácil, antes das superfícies 5 de transferência de calor residual. Os gases provenientes do primeiro forno la, e tendo passado através do sobreaquecedor, reduzem, assim, a temperatura dos gases de combustão provenientes do processo de combustão do segundo forno lb antes de os gases de combustão entrarem em contacto com as superfícies 5 de transferência de calor residual. Consequentemente, a corrosão térmica e o risco de sujidade são reduzidos nestas superfícies.

As caldeiras de combustível das Fig. 1 e 2 são as assim denominadas caldeiras de leito fluidizado. Na Fig. 1, o primeiro 7 forno la é um forno que funciona segundo o princípio do leito fluidizado borbulhante (BFB) e o segundo forno lb também funciona segundo o princípio do leito fluidizado borbulhante (BFB).

Na Fig. 2, o primeiro forno la é semelhante ao da Fig. 1, mas o segundo forno lb para a queima de um combustível com um valor calorífico inferior funciona segundo o princípio do leito fluidizado circulante (CFB). A posição dos fornos la, lb em relação um ao outro é a mesmo que na Fig. 1, mas um dispositivo 4 separador, tal como um ciclone, é proporcionado entre a parte dirigida para baixo do canal 3 de gases de combustão e o segundo forno lb, para devolver o material de leito fluidizado ao forno lb. A partir da parte superior do dispositivo 4 separador, os gases de combustão provenientes do segundo forno lb são conduzidos para dentro do canal de gases de combustão, cuja parte inicial se estende de um modo aproximadamente horizontal por cima do dispositivo 4 separador. Também neste caso, os gases de combustão provenientes do segundo forno lb misturam-se com os gases de combustão provenientes do primeiro forno la, que circulam no canal 3.

No segundo forno lb, a proporção entre a superfície de transferência de calor e o volume é menor do que no primeiro forno. Isto pode ser implementado ao fazer com que o material de uma grande parte das paredes limitando o forno seja um material refractário de baixa condutividade térmica (revestimento refractário) , tal como uma alvenaria de protecção ou semelhante. Devido à pequena superfície de transferência de calor, é possível, no segundo forno lb, manter a temperatura (acima de 850 °C) exigida pela directiva de resíduos, apesar dos tempos de retenção longos exigidos pela directiva de resíduos, e também com cargas parciais. Os gases de combustão provenientes do forno lb podem ser arrefecidos pelos gases de combustão provenientes do primeiro forno la no canal 3 comum de gases de combustão, como descrito acima. 0 seguinte é uma descrição mais detalhada da grelha na parte inferior dos fornos la, lb e o processo de leito fluidizado. A estrutura da grelha é mostrada nas Fig. 3 a 6.

Os fornos estão limitados, a partir de baixo, pela grelha 6, utilizada como uma estrutura de distribuição de ar de fluidização e ar de combustão, e tendo tubos 9 ocos paralelos dotados com bicos, a partir dos quais um fluxo de ar é dirigido para cima. Devido a este fluxo de ar, em cada forno, o material do leito consistindo em partículas de materiais sólidos inertes é fluidizado para formar um leito fluidizado, no qual ocorre a combustão. 0 combustível é fornecido aos leitos fluidizados a partir de entradas 7 de alimentação. 0 ar de combustão pode ser introduzido no forno a partir de um ou mais níveis. Os tubos 9 são arrefecidos por um meio de transferência de calor que circula em canais longitudinais no seu interior. Os canais podem ser dispostos nas paredes limitando a parte interna do tubo (o canal de ar).

Cada forno la, lb está dotado com uma unidade 11 de recolha de material do leito fluidizado, disposta por baixo da grelha 6 (mostrado nas Fig. 1 e 2) .

As paredes dos fornos la, lb estão equipadas com tubos de transferência de calor para transferir calor de combustão para a água e vapor que circula no interior dos tubos. 9 A Figura 3 mostra a caldeira de leito fluidizado num corte horizontal dos fornos la, lb; i. e., mostra a grelha 6 vista de cima. Na Fig. 3b, a direcção de abastecimento de combustível e, simultaneamente, a localização das entradas de alimentação são indicadas por setas. A grelha 6 compreende, no mesmo nível, tubos 9 paralelos colocados ao lado uns dos outros, ao longo dos quais o ar de combustão é introduzido na grelha, circulando o ar desde os tubos, através de bicos de fluidização, para cima, para dentro do forno acima da estrutura de grelha. 0 ar de combustão age, simultaneamente, como ar de fluidização. 0 ar é fornecido aos tubos 9 a partir de um canal de entrada comum (não mostrado) . Na Fig. 3, cada tubo 9, em cada forno, está equipado com um meio 10 de controlo para fechar e abrir uma ligação entre o canal de entrada e o respectivo tubo 9 e, também, para ajustar o caudal de ar. A Figura 3 também mostra como é que o combustível é fornecido na direcção de colocação dos tubos 9. Além disso, os tubos 9 estão em paralelo com a parede lc divisória que separa os fornos la, lb. Os tubos são, assim, divididos na grelha de modo a que um determinado número de tubos seja colocado completamente no primeiro forno la e o resto seja colocado completamente no segundo forno lb.

Através do meio 10 de controlo, o fornecimento de ar de fluidização pode ser diferenciado em cada forno la, lb. Dado que todos os tubos estão equipados com o meio 10 de controlo, o ar de fluidização também pode ser ajustado dentro de cada forno la, lb. Ao fechar a conexão a um ou mais tubos, a área superficial efectiva da grelha do forno la ou lb também pode ser ajustada no interior do forno. No entanto, a grelha 6 é comum a ambos os fornos, no sentido em que a mesma estrutura de grelha 10 constituída por tubos 9 paralelos forma o fundo dos dois fornos la, lb. A Figura 4 mostra uma segunda alternativa, de acordo com a qual o controlo do ar de fluidização pode ser implementado separadamente para cada forno. Cada forno tem um canal 8 de entrada de ar de fluidização separado comum aos tubos, a partir do qual o ar é distribuído para os tubos 9 do respectivo forno. Ambos os canais 8 de entrada comuns estão dotados com o respectivo meio 10 de controlo. Noutros aspectos, a colocação dos tubos 9 nos fornos e o abastecimento de combustível são semelhantes aos da Fig. 3.

Na Fig. 5, por sua vez, cada tubo 9 está equipado com um meio 10 de controlo para fechar e abrir a conexão entre o canal de ar e o respectivo tubo 9. Os tubos 9 estendem-se desde um dos lados da parede lc divisória que separa os fornos la, lb até ao outro lado; isto é, os tubos são comuns a ambos os fornos la, lb. Os tubos são, por conseguinte, equipados, em cada extremidade, com um meio 10 de controlo para a implementação do controlo do ar de fluidização em cada forno. Além disso, os tubos são fechados na parede lc divisória de modo a que, no que se refere ao fluxo de ar, o mesmo tubo 9 esteja dotado com secções separadas umas das outras: a primeira secção sob o primeiro forno la e a segunda secção sob o segundo forno lb. Devido à colocação dos tubos, o combustível (entradas 7) é, agora, fornecido numa direcção perpendicular à direcção dos tubos. A Figura 6 mostra, no que se refere à colocação e fecho dos tubos, a mesma forma de realização que a da Fig. 5, mas cada forno la, lb está dotado com um canal 8 de entrada próprio que 11 se ramifica para tubos 9 diferentes depois do meio 10 de controlo; isto é, a ideia é a mesma que na Fig. 4. A invenção não está restringida às formas de realização acima mencionadas, mas pode ser modificada no âmbito da ideia inventiva apresentada nas reivindicações. No segundo forno lb, também é possível queimar outro combustível misturado com resíduos. Além disso, nos diferentes fornos la, lb, é possível queimar um combustível com o mesmo valor calorífico, mas que pode ser diferentes substâncias. É também possível queimar exactamente o mesmo combustível, simultaneamente, nos diferentes fornos. A vantagem da invenção é, assim, a variabilidade do processo, se determinados combustíveis não estiverem sempre disponíveis. No entanto, a caldeira é particularmente adequada para um processo para a combustão simultânea de um combustível primário no primeiro forno, estando o combustível destinado à produção de energia e tendo um bom valor calorífico e boas propriedades de combustão, contendo os seus gases de combustão poucas ou nenhumas substâncias prejudiciais, a uma temperatura elevada, às superfícies do sobreaquecedor, e resíduos no segundo forno, para efeitos de eliminação de resíduos, mas, também simultaneamente, produzindo uma parte da energia total produzida pelo processo de combustão da caldeira.

Lisboa, 10 de Maio de 2013 12

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Caldeira compreendendo um forno para a combustão de um combustível, um sobreaquecedor na parte superior do forno para a produção de vapor sobreaquecido e um canal (3) de gases de combustão para a descarga de gases de combustão a partir do forno, compreendendo a referida caldeira dois fornos paralelos, um primeiro e segundo fornos (la, lb), estando cada um dotado com superfícies de transferência de calor configuradas para produzir vapor, e só um primeiro forno (la) compreendendo, para além das superfícies de transferência de calor, um sobreaquecedor (2) final, configurado para sobreaquecer o vapor até uma temperatura final, encontrando-se o ponto de junção dos gases de combustão dos referidos fornos (la, lb) no canal (3) de gases de combustão na direcção de circulação dos gases de combustão depois do sobreaquecedor (2) final, caracterizada por, no segundo forno (lb) sem sobreaquecedor final, a proporção entre a superfície de transferência de calor e o volume ser menor do que no primeiro forno.
2. 2. Caldeira de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ser uma caldeira de leito fluidizado.
3. 3. Caldeira de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por ambos os fornos (la, lb) estarem configurados para funcionar segundo o princípio de um leito fluidizado borbulhante.
4. 4. Caldeira de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por um dos fornos estar configurado para funcionar segundo o 1 princípio de um leito fluidizado borbulhante e o outro segundo o princípio de um leito fluidizado circulante.
5. 5. Caldeira de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por os fornos (la, lb) serem separados um do outro por uma parede (lc) divisória comum.
6. 6. Caldeira de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por ambos os fornos estarem dotados com uma grelha (6) comum.
7. 7. Método para a combustão de combustível numa caldeira para a produção de vapor, caracterizado por o combustível ser queimado simultaneamente em dois fornos paralelos, em processos de combustão diferenciados um do outro, num primeiro forno (la) e num segundo forno (lb), que são ambos utilizados para a produção de vapor, e o vapor é sobreaquecido até uma temperatura final apenas no primeiro forno (la), e os gases provenientes do primeiro forno (la) que foram arrefecidos no sobreaquecedor (2) e os gases provenientes do segundo forno (lb) são misturados no canal (3) de gases de combustão, caracterizado por o segundo forno (lb) ser utilizado para a combustão de um combustível com pobres propriedades de combustão e/ou com um valor calorífico mais baixo, e/ou produzir gases de combustão mais corrosivos que o combustível do primeiro forno (la).
8. 8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o segundo forno (lb) ser utilizado para a combustão de resíduos. 2
9. 9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado por a combustão ocorrer num leito fluidizado. Lisboa, 10 de Maio de 2013 3