PT1461567E - Sobreaquecedor de vapor que compreende tubos de protecção - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "Sobreaquecedor de vapor que compreende tubos de protecção" 0 presente invento refere-se a um permutador de calor de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1. Um permutador de calor deste tipo é muito útil especialmente, mas não em exclusivo, para a recuperação de energia térmica a partir dos gases de combustão provenientes de uma instalação de incineração de residuos. Apesar de, daqui em diante, ser feita referência principalmente à utilização do permutador de calor em instalações de incineração de residuos é, também, possível utilizar o mesmo com outros gases quentes.

Em instalações de incineração de resíduos é prática habitual utilizar os gases de combustão quentes libertados durante a incineração de resíduos para a geração de vapor. Para esta finalidade, a instalação de incineração de resíduos (I IR) possui um permutador de calor que compreende tubos através dos quais é conduzido vapor que tem de ser mais aquecido com a ajuda dos gases de combustão a fim de se obter vapor sobreaquecido. Com esta finalidade, vapor previamente produzido é conduzido por intermédio de um barrilete de vapor, como é conhecido na técnica, através de um permutador de calor para sobreaquecimento. Um permutador de calor deste tipo é, de um modo geral, conhecido, como um sobreaquecedor de vapor. Numa caldeira de incineração de resíduos, este sobreaquecedor, de um modo geral, é constituído por uma pluralidade de secções, consistindo cada secção de uma pluralidade de armações e cada armação consistindo em dois colectores entre os quais é proporcionada uma pluralidade de tubos ligados em paralelo, que formam a superfície de permuta de calor. Habitualmente, as armações estão montadas, uma imediatamente após a outra, em ângulos rectos em relação ao sentido do escoamento dos gases de combustão.

Uma desvantagem geral dos resíduos é que os mesmos contêm muitos poluentes, de modo que a sua incineração, de um modo geral, provoca a corrosão nas partes da instalação que entram 2

ΕΡ 1 461 567 /PT em contacto com os gases de combustão quentes. As medidas para combater a corrosão (baixas temperaturas da superfície de permuta de calor e dos gases de combustão que entram em contacto com a mesma) são obtidas à custa da produtividade e da eficiência globais.

Cada vez é mais frequente a utilização de materiais resistentes à corrosão, como por exemplo, ligas de níquel-crómio. No entanto, são materiais muito caros, que resultam em custos elevados para o fabrico de permutadores de calor. 0 permutador de calor como indicado no preâmbulo da reivindicação 1 é conhecido do pedido de patente alemã com número de publicação DE 38411122 Cl. Neste pedido de patente, é referido que um tubo de ecrã é colocado em frente dos tubos sobreaquecedores, de modo a proteger os ditos tubos sobreaquecedores contra erosão. Para aquela finalidade, os tubos de protecção deveriam possuir um diâmetro maior do que o diâmetro dos tubos sobreaquecedores. Embora isto proporcione uma boa protecção contra erosão, mostrou que esta concretização pode ser mais melhorada. 0 invento tem o objectivo de proporcionar um aparelho melhorado. 0 invento possui o objectivo particular de proporcionar um permutador de calor que também possa ser muito bem utilizado em instalações de incineração de resíduos.

Para esta finalidade o invento proporciona um permutador de calor do tipo referido no preâmbulo, que é caracterizado pela medida referida na parte de caracterização da reivindicação 1. Com esta medida, é obtida a vantagem de ser obtida uma excelente remoção de poluentes dos gases de combustão. Como uma vantagem adicional, a resistência ao escoamento é menor do que com a concretização do DE 38411122 Cl. Totalmente inesperado, a mesma demonstrou que os vórtices de Von Karman diminuem com esta medida. A vantagem adicional é que a quantidade de pó (poluentes) sobre os tubos 3

ΕΡ 1 461 567 /PT sobreaquecedores diminui. Isto é contrário aos ensinamentos da técnica, onde é geralmente aceite que os vórtices de Von Karman deveriam ser aumentados para melhorar a permuta de calor.

Deste modo, são evitados ou reduzidos os problemas de corrosão, erosão e deposição de fuligem com a incineração de resíduos. 0 custo de produção dos tubos de protecção é muito baixo e a substituição dos tubos é simples de modo que o efeito de desgaste por utilização sobre os mesmos envolve apenas despesas de menor significado. As desvantagens práticas de temperaturas elevadas dos gases de combustão no sobreaquecedor e reaquecedor encontradas na incineração de resíduos são, deste modo, evitadas. Os tubos de protecção podem ser tubos vazios adequados. Os mesmos são simplesmente colocados imediatamente antes dos tubos sobreaquecedores, vistos no sentido do escoamento, de modo que os tubos de protecção captam, de forma substancial, todos os poluentes nos gases de combustão. Os tubos sobreaquecedores ficam, deste modo, substancialmente livres de poluentes e estarão aptos a permanecer mais tempo em serviço. Como apenas os tubos de protecção necessitam de ser substituídos, isto envolve apenas operações muito simples e, por conseguinte, de menor significado. A DE 41 03 440 "Anordnung zur Befestigung von

VerschleiBschutzrohren an Heizfláchen", descreve uma solução comparável onde, por meio de meios tubos que funcionam como conchas montadas em frente dos tubos sobreaquecedores, se obtém um efeito de ecrã. Esta concretização também é utilizada, de forma regular, na prática em caldeiras de incineração de resíduos a fim de tornar eficaz mesmo um sobreaquecedor de vapor problemático. No entanto, em geral os meios tubos de desgaste rápido não são preferidos quando uma nova caldeira incineradora de resíduos está a ser construída. A DE 43 34 155: “Anordnung zum Schutz von Rohren eines

Rohrpaketes in einem staubbeladenen Gasstrom", descreve uma protecção em que uma rede, imediatamente depois da curva na 4

ΕΡ 1 461 567 /PT porção onde os gases de combustão possuem a velocidade mais elevada, proporciona uma protecção contra os gases de combustão. 0 objectivo aqui é comparável ao do presente pedido mas está em causa uma concretização específica completamente diferente, focando apenas no combate aos efeitos na secção que está imediatamente a seguir a uma curva. A DE 1012614: "Schot-teniiberhit zer", descreve um sobreaquecedor deflector localizado na parte de radiação da caldeira e em que os gases de combustão flúem paralelos aos deflectores formados pelos bancos de tubos. O efeito de protecção é orientado para a radiação máxima proveniente da ignição imediatamente por baixo. Para esta finalidade o tubo de protecção está munido com melhor refrigeração do que os outros tubos sobreaquecedores de deflexão através da utilização de um maior escoamento de vapor com uma temperatura baixa ou mesmo um tubo refrigerado por água.

Uma descrição comparável pode ser encontrada na US 4.838.212 "Superheating of steam generating".

No presente pedido é utilizada uma solução similar, no entanto, com o objectivo de captar partículas de pó em vez de proporcionar uma protecção da radiação. No presente invento a localização não está, por conseguinte, na parte de radiação mas na parte de convecção da caldeira, com o calor a ser transferido directamente para os tubos devido à aproximação quadrada dos gases de combustão. 0 pó nos gases de combustão, por conseguinte, desempenha uma parte importante na formação de depósito, corrosão e erosão. As partículas de pó atingem a superfície dos tubos à velocidade dos gases de combustão que as transportam. As partículas, que devido à temperatura elevada se tornaram ligeiramente viscosas, podem aderir e acumular-se para formarem grandes volumes de depósito. Quando estes volumes de depósito são removidos por limpeza (por exemplo por meio de batidas com golpes secos) e o tubo fica outra vez limpo, as partículas de pó podem também danificar a superfície de metal directamente antes de crescerem de novo para formarem um depósito. Especialmente em tubos fabricados 5

ΕΡ 1 461 567 /PT em ligas de níquel-crómio cuja acção de protecção de corrosão consiste numa película de óxido extremamente fina, esta camada protectora pode ser danificada. Isto provoca corrosão acelerada até que a película de óxido seja reposta. A NL-1015438 (High Efficiency-Waste Fired Power Plant) refere como medida mais importante a manutenção de baixas velocidades dos gases de combustão como método para limitar o impacto das partículas de pó e uma temperatura baixa para garantir que o material se pode auto proteger através da formação de uma nova película de óxido. A fim de proteger o primeiro tubo de uma secção exposta a um forte desgaste, o documento também refere a utilização de refrigeração a água para o dito tubo. A US-A 2.358.358 refere-se a uma caldeira horizontal, em que um escoamento horizontal de gases de combustão passa através de um feixe de tubos verticais para a geração de vapor. Apesar do efeito de erosão (desgaste) dos tubos sobreaquecedores ser referido (coluna 1, linhas 7 - 28) não são apresentadas medidas para contrariar este efeito. 0 presente pedido, por conseguinte, não propõe apenas proteger o dito primeiro tubo por meio de refrigeração a água, mas também melhorar a acção protectora do dito primeiro tubo atribuindo ao mesmo um diâmetro que é diferente do diâmetro dos tubos sobreaquecedores por trás do primeiro tubo. A escolha do diâmetro correcto dos tubos de protecção em relação ao diâmetro dos tubos sobreaquecedores tem de ser baseada numa análise precisa, com as velocidades e a distância recíproca a desempenharem um papel importante. 0 diâmetro é, então, escolhido de modo que os "vórtices de Von Karman" (ver Fig. 3) não conduzam a um aumento local das velocidades do escoamento e/ou ao aumento de pó na superfície dos tubos sobreaquecedores localizados por trás. Isto está em contraste com os métodos de concepção típicos, onde as turbulências locais são utilizadas para aumentar a transferência de calor. 6

ΕΡ 1 461 567 /PT Ο invento será, agora, descrito também com referência aos desenhos. A Fig. 1 mostra uma vista esquemática de uma instalação de incineração de resíduos, em que os gases de combustão são conduzidos desde uma secção em grelha através de uma primeira, segunda e terceira tiragens, após o que os gases de combustão são conduzidos através de um permutador de calor (4), composto por sobreaquecedores (5) e um economizador, para a saída da caldeira. A Fig. 2 mostra uma vista esquemática, em planta, de uma instalação de acordo com a Fig. 1. A Fig. 3 mostra uma vista em planta de uma configuração em linha, habitual, de tubos num permutador de calor de acordo com o presente invento.

As Figs. 4-7 mostram uma vista em planta de uma concretização preferida dos tubos num permutador de calor de acordo com o invento. Números de referência idênticos nas figuras possuem sempre o mesmo significado. A Fig. 1 mostra uma vista esquemática de uma instalação de incineração de resíduos. Os gases de combustão são introduzidos numa primeira tiragem 1, onde os mesmos sobem na vertical, sendo de seguida desviados para uma segunda tiragem 2, onde os gases de combustão são conduzidos para baixo e dirigidos para uma tiragem adicional 3. A primeira tiragem é construída, de entre outras coisas, a partir de uma parede de membrana conhecida (não mostrada).

Os gases de combustão que saem pela terceira tiragem são de seguida conduzidos para um permutador de calor 4 na forma de um sobreaquecedor de vapor 5 (em Alemão indicado, de um modo geral, por OVO). Na forma representada, este OVO compreende quatro séries diferentes de tubos de permutador de calor 15-18. No início do permutador de calor 4 é proporcionada uma chamada parede evaporadora 6. Esta parede evaporadora 6 serve para equilibrar o escoamento de gases de 7

ΕΡ 1 461 567 /PT combustão que chegam ao permutador de calor 5. Para esta finalidade a parede evaporadora 6, de preferência, compreende duas linhas de tubos evaporadores, como mostrado na Fig. 2. Depois destas duas linhas de tubos evaporadores existe, de preferência, um pequeno espaço aberto 7, após o qual é proporcionada uma linha seguinte de tubos evaporadores 8, após a qual as primeiras linhas de tubos permutadores de calor, estão colocadas umas atrás das outras, alinhadas com os tubos da última linha de tubos evaporadores, como pode ser visto na Fig. 2. 0 pequeno espaço aberto 7 é, de preferência, suficientemente comprido para permitir que a velocidade dos gases de combustão seja equilibrada através de toda a área de escoamento neste intervalo aberto 7, para que a sua velocidade de escoamento seja praticamente a mesma em qualquer sítio.

Na técnica antecedente, a parede evaporadora 6 está sujeita à deposição de cinza volante e o rápido arrefecimento dos gases de combustão afecta o núcleo das partículas de cinza volante contidas nos gases de combustão apenas após algum atraso, de tal modo que as mesmas irão reter uma temperatura interior de T > 800°C com a consequência das mesmas estarem ainda numa chamada "fase aderente". Quando estas partículas colidem com os tubos sucessivos da parede evaporadora, as mesmas, por conseguinte, aderem à sua superfície. Estas partículas com um grau considerável também aderem aos tubos permutadores de calor. Isto pode ser reduzido baixando a velocidade dos gases de combustão. Esta redução da velocidade dos gases de combustão também resulta numa grande melhoria da remoção da cinza da caldeira 10. Isto também resulta numa redução da deposição de fuligem sobre os tubos permutadores de calor. Este depósito de cinza pode ser removido dos tubos por um método conhecido na técnica.

Na prática prefere-se que a parede evaporadora 6 equilibre o escoamento a fim de evitar elevadas velocidades locais. A velocidade dos gases de combustão é, de preferência, de 3 a 4 m/s, o que tem como consequência que a temperatura na superfície dos tubos fique abaixo da temperatura dos gases de combustão. As armações da secção evaporadora 6 serão, de 8 ΕΡ 1 461 567 /PT preferência, proporcionadas ao longo de toda a largura da tiragem de gases no permutador de calor 4. No entanto, é possível reduzir o número total de tubos por armação no banco evaporador 6, com a distância recíproca entre os tubos a ficar entre 20 e 50 cm. Se várias linhas de paredes evaporadoras 6 forem utilizadas, prefere-se que os tubos nas linhas individuais estejam dispostos no permutador de calor de modo a estarem escalonados entre si, como mostrado nas Figs. 4 a 7. Prefere-se para todos os tubos que estejam equidistantes entre si. Desta forma obtém-se um escoamento equilibrado ao longo da altura e da deslocação dos gases de combustão antes de entrarem no OVO.

Como existe uma aproximação livre à primeira linha de tubos do primeiro OVO, os mesmos são, de preferência, concretizados como tubos evaporadores 8. Os tubos restantes do primeiro OVO 15 estão colocados uns atrás dos outros, para além dos tubos evaporadores 8. A protecção dos tubos do OVO proporcionada pelos tubos evaporadores é, de modo especial, melhorada se os tubos evaporadores forem concretizados com um diâmetro que é ligeiramente maior do que o dos tubos do OVO por trás dos mesmos (vistos no sentido do escoamento dos gases de combustão). Numa variante adicional, os tubos do OVO são concretizados ligeiramente ovais, com o diâmetro inferior orientado em ângulos rectos para o sentido do escoamento dos gases de combustão. Isto reduz o desgaste dos tubos resultante da erosão provocada pela cinza volante nos gases de combustão.

Os métodos da técnica antecedente, em que o depósito de cinza volante sobre os tubos do OVO é sempre removido pela vibração dos tubos do OVO (por exemplo, por batida dos colectores em que as extremidades dos tubos são apertadas com um martelo mecânico ou pneumático), podem ser muito melhorados dando aos tubos do OVO frequências naturais que sejam diferentes em direcções diferentes devido à diferença de rigidez provocada pelo não arredondamento dos tubos. Ao provocar a vibração do colector com estas frequências específicas, a cinza volante depositada pode ser removida de uma forma controlada. Ao sincronizar de forma adequada as 9 ΕΡ 1 461 567 /PT frequências naturais dos tubos (todos com a mesma), um fornecimento de energia limitado provocará um resultado máximo. Em alternativa, se isto for difícil devido à massa colada do depósito de cinza volante ser demasiado diferente, é também possível sujeitar todos os tubos do OVO a uma frequência diferente (diferente também para diferentes direcções de vibração) para que se torne possível colocar os tubos individuais em ressonância. Prefere-se, por conseguinte, um sistema em que os tubos não arredondados possuam frequências naturais especialmente escolhidas que permitam que os tubos sejam colocados em ressonância.

Na segunda secção 16 do permutador de calor ou do segundo OVO 16, o escoamento de gases de combustão já está distribuído de forma equilibrada, uma quantidade considerável de pó já está separada dos gases de combustão (por gravidade e depositada sobre tubos) e, para além disso, a temperatura dos gases de combustão baixou. É prática habitual que os tubos do sobreaquecedor numa caldeira de incineração de resíduos sejam colocados uns atrás dos outros (em linha, como mostrado na Fig. 3) a fim de reduzir o desgaste dos tubos de acordo com os princípios referidos acima. Noutras instalações, onde a deposição de fuligem e o desgaste são menos extremos do que na incineração de resíduos, os tubos são, de preferência, colocados numa configuração escalonada devido a um permutador de calor construído desta forma ser mais compacto. Isto deve-se ao facto de, no mesmo volume com a mesma distância de tubos, a configuração de tubos escalonados compreender mais tubos e uma superfície correspondentemente maior para permuta de calor.

Os tubos que se destinam a ser utilizados numa instalação de incineração de resíduos podem ser colocados escalonados, mas a estrutura do permutador de calor não é mais compacta, como mostrado nas Figs. 4-7. Pelo contrário, esta, de preferência, aplica as distâncias de tubos mais largas possíveis (47, 48 e 49), ver Fig. 4. Isto, na verdade, faz subir o preço de custo do permutador de calor apenas 10

ΕΡ 1 461 567 /PT ligeiramente, porque se as distâncias entre os tubos forem aumentadas, é necessário mais material apenas para os colectores e invólucro enquanto o número de soldaduras para o permutador de calor permanece o mesmo. 0 resultado destas medidas, no entanto, é que o depósito sobre os tubos pode crescer mais (no sentido oposto do escoamento de gases de combustão 33, como mostrado na Fig. 5), o que aumenta as forças de inércia sobre o material depositado quando os tubos são colocados em vibração pela acção do batimento (69), ver Fig. 6. Quando se limpa por meio de projecção ou sopragem de vapor, esta vantagem é menos evidente. Importante é, em particular, que a distância (33 e 51) entre o depósito (34) e o tubo precedente seja tão grande quanto possível a fim de garantir que o tubo pode continuar a vibrar livremente.

Porque, se esta distância (33) for inferior à amplitude da vibração do tubo, o depósito do tubo (31) irá tocar o tubo precedente (30) o que leva a que o tubo perca a sua energia de vibração de modo que a limpeza deixa de ser eficaz. Na prática, um aumento súbito de deposição de fuligem torna-se evidente, o que torna necessário outros métodos de limpeza (como, por exemplo, explosivos) ou a caldeira terá mesmo de ser retirada de serviço para limpeza manual. Através da construção de uma caldeira grande obtêm-se as velocidades de gases de combustão desejadas e através da combinação da mesma com a configuração escalonada dos tubos, conseguem-se várias vantagens: O número de tubos por colector é reduzido a metade, de modo que a massa da armação não fica demasiado grande para que uma acção de batimento seja eficaz.

Se for escolhida uma distância (48) igual à da configuração convencional (37), a distância de tubos na largura é mais do que duplicada. Isto significa que o espaço mínimo entre tubos (49) é maior do que na configuração convencional (37) e existe, de forma correspondente, mais espaço para deposição de fuligem antes de surgirem problemas em relação à passagem livre (52) . 11

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Comparado com a configuração em linha habitual (34), o depósito (51) pode tornar-se muito mais espesso antes do mesmo tocar o tubo precedente (51 em relação a 33).

Devido à distância ao tubo seguinte (47) ser maior, os vórtices de Von Karman (43) serão algo moderados, de modo que os tubos são sujeitos a menos desgaste erosivo. A combinação com esta configuração compensa os custos extra de uma caldeira maior devido a uma considerável redução dos custos de exploração, devido ao facto da deposição de fuligem e do desgaste serem muito reduzidos.

Em consequência desta configuração proposta, os pedaços de depósito de cinza volante que caem durante o batimento podem ser maiores. Por conseguinte, se os tubos estiverem organizados de forma vertical, a distância no lado inferior entre os colectores tem de ser suficientemente grande para permitir que estes pedaços a atravessem. A fim de criar esta distância, os colectores sucessivos na concretização preferida são montados a diferentes alturas. Isto é, de preferência, concretizado atribuindo aos mesmos de forma alternativa uma altura diferente, cuja diferença, de preferência, corresponde, de forma aproximada, à distância entre dois tubos sucessivos (47). Na prática, isto pode ser optimizado para uma distância entre 49 e 47. A Fig. 7 mostra uma vista lateral de uma secção composta por seis armações, que compreende duas linhas de tubos de protecção 41, 44 e quatro linhas de tubos sobreaquecedores posicionadas atrás destes (apenas as linhas 45, 42 estão numeradas) . Todos os tubos são recebidos nos colectores, dos quais os inferiores estão indicados com números de referência 61-66. Estes colectores estão posicionados em alturas diferentes.

Prefere-se, de forma especial, reduzir a velocidade dos gases de combustão na tiragem de gases de combustão para menos de 4 m/s e, de preferência, 2 a 3 m/s e uma velocidade dos gases de combustão através do permutador de calor à entrada inferior ou igual a 4 m/s, numa operação de escoamento em contra corrente do permutador de calor, e em que os gases de 12

ΕΡ 1 461 567 /PT combustão na entrada para o permutador de calor possuem uma temperatura abaixo de 700°C, de preferência, abaixo de 630°C. 0 invento como descrito abaixo e mostrado nas figuras representa uma concretização preferida do invento. 0 invento é limitado apenas pelas reivindicações em anexo.

Lisboa,

Claims (1)

1. ΕΡ 1 461 567 /PT 1/1 REIVINDICAÇÕES 1 - Permutador de calor, em que os gases de combustão são conduzidos ao longo de tubos através dos quais é conduzido vapor para a produção de vapor aquecido, em que o permutador de calor (5) compreende tubos de protecção (8) cujo diâmetro e diferente do diâmetro dos tubos sobreaquecedores (15) que, vistos no sentido do escoamento, são proporcionados imediatamente atrás destes, a fim de minimizar o depósito, a erosão e a corrosão, caracterizado por o diâmetro dos tubos de protecção (8) ser inferior ao diâmetro dos tubos sobreaquecedores (15). Lisboa, ΕΡ 1 461 567 /PT 1/5

   Fig. 1 ΕΡ 1 461 567 /PT 2/5

   ΕΡ 1 461 567 /PT 3/5

   Piff 3

   Fig 4 ΕΡ 1 461 567 /PT 4/5

   Fig 6 ΕΡ 1 461 567 /PT 5/5

   Fig 7