PT1504154E - Método de produção de energia numa fábrica de celulose - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "MÉTODO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA NUMA FÁBRICA DE CELULOSE"

Em fábricas de celulose químicas, a casca de madeira é primeiro removida a partir de troncos, após o que a restante madeira é cortada em aparas e processada quimicamente (cozida) em fibras. Lignina e algum material de hidratos de carbono são dissolvidos a partir de aparas de madeira durante o cozimento em solução alcalina de cozimento. A lignina e material de hidratos de carbono e os componentes da solução de cozimento formam uma solução de resíduos chamada solução negra. 0 rendimento a partir de fibras de madeira é geralmente menos de 50% e, normalmente, 46 a 48% de rendimento. Após o cozimento, os produtos químicos são recuperados a partir da solução negra por cozedura da solução negra numa caldeira de recuperação sozinha ou em conjunto com outras fontes de "resíduos". O processo de cozedura no interior da caldeira é exotérmico, e a energia libertada é recuperado como vapor sobreaquecido pressurizado. A energia do vapor é recuperada numa turbina de vapor para produzir energia eléctrica e vapor de baixa pressão para outras necessidades do processo de celulose. A solução negra e outras fontes de "resíduos" têm sido reconhecidas como combustíveis de biomassa, que são fontes de combustível alternativas. Essas fontes alternativas de combustível reduzem a necessidade numa fábrica de celulose para os combustíveis convencionais, tais como carvão e petróleo, e, assim, reduzir a quantidade de gases de estufa produzidos pela produção de energia usando combustíveis convencionais. Combustíveis de biomassa podem ser utilizados para fornecer vapor a alta pressão e temperatura diretas, que é uma vantagem em termos de eficiência de geração de energia. 2

Tradicionalmente, a energia é produzida numa fábrica de celulose pela combustão da solução negro numa caldeira de recuperação, e residuos de madeira e cascas numa caldeira auxiliar (ver, por exemplo US 5 509 997) . A casca da matéria-prima da madeira e a substância orgânica da geração da solução negra juntas normalmente fornecem toda a necessidade de energia da fábrica de celulose. Se mais energia é necessária na fábrica de celulose, o combustível suplementar pode ser comprado. O combustível suplementar é queimado com a casca de madeira na caldeira auxiliar. Convencionalmente, a energia é produzido numa fábrica de celulose da seguinte forma: uma caldeira de recuperação e uma caldeira auxiliar, em que o residuo de casca de madeira da fábrica é queimado para gerar vapor de alta pressão sobreaquecida. O vapor gerado é forçado através de uma turbina(s) a vapor de contrapressão e o vapor libertado é utilizado para fornecer calor para a fábrica. A turbina e um gerador conectado lá para produzir eletricidade necessária para alimentar a fábrica. A madeira contém pequenas quantidades de potássio (K) e cloro (Cl) . Estes elementos permanecem na solução negra durante o cozimento. Na caldeira de recuperação, estes elementos são enriquecidos nas cinzas volantes e aumentam a corrosividade do gás de combustão, especialmente no sobreaquecedor. A corrosividade do Cl e K aumenta com a temperatura. A corrosividade do Cl e K impõe um limite superior de temperatura no vapor gerado na caldeira de recuperação. Este limite para o vapor superaquecido é normalmente de 400°C a 490°C, dependendo do teor de cloro e potássio. Com materiais especiais ou com soluções tendo um teor muito baixo de Cl e K, a temperatura do vapor até 520°C tem sido utilizada. Porque a corrosividade do Cl e K geralmente exigem que a temperatura do vapor sobreaquecido 3 seja mantida relativamente baixa, a pressão do vapor é também baixa. Estas limitações de temperatura resultam num baixo rendimento energético do calor gerado na caldeira de recuperação, em comparação com caldeiras geradoras de energia normais alimentadas por carvão, gás natural ou petróleo.

Estas limitações de temperatura do vapor numa caldeira de recuperação não são tão estritamente válidas com casca originária de troncos, mas as cinzas volantes da combustão de casca numa caldeira de casca podem também conter cloro e potássio. À medida que o teor de enxofre da casca é muito baixo, o potássio reage na caldeira de casca com cloro e forma KCI, que por sua vez, pode resultar em corrosão sobreaquecida. Fluxo calorimétrico na casca também é muito menor do que o fluxo da solução ("residuo") negra, devido ao fluxo de massa muito menor.

Novos ciclos de energia, desenvolvidos para substituir a tradicional caldeira de recuperação e ciclo de turbina a vapor, tem sido estudados, e gaseificação pressurizada de solução de "residuos" e casca parece terem possibilidades promissoras. No entanto, muito mais desenvolvimento parece ser necessário antes que estas tecnologias tenham a confiança e desempenho necessários. Gaseificação atmosférica da madeira e casca em gaseificadores de leito fluidizado tem estado em uso comercial desde 1983 em fábricas de celulose para a produção de gás combustível a ser utilizado em fornos de recuperação de cal como um substituto para os combustíveis fósseis. No entanto, métodos eficientes não têm, tanto quanto é do nosso conhecimento, sido desenvolvidos para aumentar a temperatura e pressão do vapor sobreaquecido produzido numa caldeira de recuperação da fábrica de celulose, de tal maneira que nenhuma corrosão ocorre, ou a taxa de corrosão 4 está em níveis aceitáveis. Consequentemente, existe uma necessidade há muito sentida de um método para aumentar o rendimento energético na produção de energia numa fábrica de celulose sem problemas de corrosão e, ao mesmo tempo, minimizar a necessidade de combustíveis fósseis nas fábricas de celulose.

Numa primeira forma de realização da invenção, o vapor é aquecido numa caldeira de recuperação de tal modo que a corrosão a alta temperatura não ocorre. 0 vapor é aquecido abaixo dos 520°C e optimamente entre 480°C e 500°C. A partir daí, o vapor é sobreaquecido a 500°C a 600°C (e optimamente a 520°C a 560°C) num sobreaquecedor(es), num processo especial de combustão no qual o combustível limpo é queimado, de modo a evitar a corrosão a alta temperatura. O combustível limpo é gerado por gaseificação utilizando um combustível à base de madeira. A presente invenção é, num exemplo, um método de produção de energia numa fábrica de celulose compreendendo as seguintes etapas: a) processo de combustão de celulose de solução de resíduos (tal como a solução negra a partir da celulose kraft) no forno de uma caldeira de recuperação para gerar os gases de combustão, b) recuperar o calor dos gases de combustão produzindo vapor na caldeira de recuperação, c) gaseificação de madeira, casca ou resíduos de madeira num gaseificador para gerar um gás combustível, d) queima de pelo menos uma parte do gás combustível numa caldeira de sobreaquecimento, e e) sobreaquecendo o vapor saturado e parcialmente sobreaquecido vapor na caldeira de sobreaquecimento usando energia térmica a partir da queima do gás combustível. A invenção pode gaseificar combustíveis à base de madeira atmosfericamente sólidos, tais como madeira, aparas de 5 madeira, aparas de cascas, madeira triturada, aparas de plaina, pó de serra, resíduos florestais à base de madeira, utilizando um método de gasificação conhecido para a produção de um gás combustível. Estes gases combustíveis são, pelo menos em parte, queimados numa caldeira de sobreaquecimento separada e usados para sobreaquecer o vapor produzido numa caldeira de recuperação.

Numa outra forma de realização da invenção, a temperatura da vapor saturado e/ou parcialmente sobreaquecido produzido pelo sobreaquecedor da caldeira de recupração está limitada a um nível na qual nenhuma corrosão na caldeira ocorre, ou a taxa de corrosão é aceitavelmente baixa. A temperatura limite depende das condições de corrosão na caldeira de recuperação. Em condições Escandinavas, a temperatura limite está numa gama tipicamente de 480°C a 500°C. Na prática, a gama de limites de temperatura de corrosão é grande, por exemplo, de 400°C a 520°C, devido a variações dos teores de Cl e de K na solução negra e as cinzas volantes resultantes e assim chamadas de "transição", que é um carvão contendo um tipo de cinzas volantes. 0 passo final de sobreaquecimento ocorre num sobreaquecedor separado, onde o vapor atinge a temperatura nível final, tipicamente de 450°C a 600°C, de preferência de 500°C a 560°C, e mais preferêncialmente de 530°C a 560°C, dependendo do desenvolvimento dos materiais do sobreaquecedor, uma temperatura tão alta quanto 600°C pode ser de um limite aceitável. O gás combustível, gerada a partir de material de madeira contém compostos alcalinos, tais como compostos de sódio e potássio, e compostos contendo cloro, que podem formar compostos de cloreto alcalino, tais como NaCl e KC1. Os compostos de cloreto alcalino podem causar corrosão nas altas temperaturas que prevalecem no sobreaquecedor. O gás 6 combustível a partir da gaseificação da casca ou madeira pode ser produzido não corrosivo, adicionando enxofre ou gás contendo enxofre, tais como a gases não condensáveis do cozimento ou coque condensado da lavagem dos gases, e injectando petróleo contendo enxofre no fluxo de gás combustível do gaseificador. Outra técnica para reduzir a corrosividade do gás combustível é queimar os supramencionados combustíveis contendo enxofre em queimadores de gás da caldeira de sobreaquecimento. Limpeza para a remoção da poeira alcalina do gás combustível antes da sua combustão no sobreaquecedor também deve fornecer condições não corrosivas a temperaturas mais altas do metal no sobreaquecedor. Algum do gás combustível pode ser usado num forno de cal para substituir os combustíveis fósseis, como petróleo e gás, resultando numa melhoria na balança dos gases de efeito estufa na fábrica.

De acordo com outra forma de realização da invenção, é fornecido um sistema para a produção de energia numa fábrica de celulose. 0 sistema compreende: uma caldeira de recuperação com um forno para a combustão da solução negra para produzir gases de combustão; superfícies de calor na caldeira de recuperação para a recuperação do calor dos gases de combustão para gerar vapor, uma caldeira de sobreaquecimento ligada às superfícies de calor da caldeira de recuperação para a introdução do vapor na caldeira de superaquecimento; um gaseificador de gaseificação de combustível de madeira maciça, como a casca, para produzir um gás combustível, e uma conduta para o fornecimento do gás combustível a partir do gaseificador para a caldeira de sobreaquecimento para queimar o gás nela.

Muitas vantagens podem ser atingidas por meio da invenção, incluindo (sem limitação) o seguinte: 7 A. Através do aumento da pressão e da temperatura operacional do vapor recuperado a partir do processo de recuperação da solução de residuos por meio de uma caldeira de sobreaquecimento, a eficiência eléctrica global da fábrica é melhorada, e mais energia é gerada pelo calor recuperado no vapor, e B. Ao utilizar cascas ou outros residuos de madeira como uma fonte de calor nenhumas emissões de dióxido de carbono são geradas, contrariamente a situações em que os combustíveis fósseis, como o gás natural ou fuelóleo, são usados. Como é sabido, uma fábrica de celulose moderna é autossustentável no que diz respeito à energia, mesmo se a casca e correspondentes residuos de madeira não são utilizados. A presente invenção permite a utilização de toda ou parte da casca de madeira produzida numa fábrica de celulose.

No que se segue, a invenção é descrita em mais pormenor com referência à Figura 1 que a acompanha, que é um diagrama esquemático de uma unidade de recuperação de energia a partir de uma solução de residuos numa fábrica de celulose. A Figura 1 ilustra uma unidade de recuperação de energia a partir da solução de residuos que compreende um gaseificador 10, uma caldeira de recuperação 14 da solução de residuos, uma seção de recuperação de calor 16 conectada da mesma, uma caldeira de sobreaquecimento 18 separada, uma turbina a vapor 20, um gerador 22, e um forno de recuperação de cal 24. A solução negra é pulverizada por meio de injectores 26 na caldeira de recuperação 14. O ar de combustão é fornecido à caldeira de recuperação através de linhas 28 em vários niveis da caldeira. A matéria inorgânica fundida (um produto da combustão da solução negra) flui através de um leito de carvão de madeira 30 acumulado no fundo da caldeira de recuperação e para uma 8 saída 32 que descarga num tanque de dissolução (não mostrado).

Na caldeira de recuperação 14, e na seção de recuperação de calor 16, o calor é recuperado a partir dos gases de combustão por superfícies de vaporização 34 e pré-aquecedores de água 36. Os gases de combustão são descarregados a partir da caldeira através de uma conduta 38. 0 vapor pode ser parcialmente aquecido na caldeira de recuperação pelas superfícies de sobreaquecimento 40. É preferível secar o material de madeira a ser gaseificado. Os gases gerados a partir da secagem da madeira contêm mais componentes combustíveis, de que os gases produzidos a partir da madeira húmida. Uma porção superior de combustíveis nos gases aumenta a eficiência da combustão. Material de madeira pode ser seco pelos gases de combustão a partir da caldeira de recuperação ou num forno de recuperação de cal. Por exemplo, a casca de madeira pode ser seca com gases de combustão provenientes de um forno de recuperação de cal. Tal processo de secagem é descrito na Patente U.S. No. 5, 103,743, que é aqui incorporada por referência.

Combustível de madeira seca, como a casca, é fornecido através de uma linha 12 para a fase de gaseificação 10, que pode ser um leito fluidizado (CFB) gaseificador circulante. Outro gaseificadores bem conhecidos podem ser igualmente aplicáveis. Gás combustível gerado no gaseificador flui através de uma linha 44 para a caldeira de sobreaquecimento 18. No entanto, uma parte do gás combustível pode fluir através da linha 46 para o forno de recuperação de cal 24. A corrosão das superfícies de calor 48 na caldeira de sobreaquecimento é reduzida pela combustão adicional de 9 combustíveis sulfurosos, de preferência os gases não condensáveis da fábrica de cozimento e/ou do coque condensado do processo de lavagem dos gases. 0 combustível sulfuroso é fornecido através da linha 54 e adicionado ao fluxo de gás combustível na linha 44 ou nos queimadores 56. 0 enxofre reage com o álcali no gás combustível para prevenir ou reduzir a formação de compostos de cloro alcalinos, o que poderia, se for permitido para formar, causar corrosão na caldeira de sobreaquecimento, especialmente enquanto a temperaturas elevadas. A adição de enxofre aos combustíveis para inibir a corrosão é barato, simples, e portanto, pode ser um método primeiramente utilizado para reduzir a corrosão da caldeira. Enquanto outros métodos de inibição de corrosão conhecidos e mais eficiente podem ser utilizados, tais métodos exigem geralmente que o gás de combustão seja purificado. Dispositivos de purificação aumentam os custos globais da fábrica de celulose. Gases de combustão a partir do gaseificador 10 podem ser purificados numa unidade de purificação 42 e, em seguida, fluírem para a caldeira de sobreaquecimento 18 ou para o forno de recuperação de cal 24. A unidade de purificação remove do gás os componentes alcalinos que são prejudiciais no subsequente processo de redução de corrosão. O ar de combustão é fornecido à caldeira de sobreaquecimento através de uma linha 46. A combustão no sobreaquecedor 18 é normalmente completa com um excesso de ar optimizado, mas estequiométrica ou reduzindo a combustão é também possível, e pode ser preferível em algumas aplicações.

Superfícies sobreaquecidas 48 estão dispostas na caldeira de sobreaquecimento para o sobreaquecer o vapor saturado e/ou parcialmente sobreaquecido proveniente da caldeira de recuperação através dos tubos de vapor 52. O vapor 10 sobreaquecido é conduzido através de uma linha 50 para a fábrica da turbina a vapor. Uma turbina 20 e um gerador 22 na fábrica produzem energia elétrica.

Os efluentes gasosos da caldeira de sobreaquecimento 18 são alimentados na caldeira de recuperação, de preferência, à entrada do sobreaquecedor 40, onde são misturados com as principais fontes de gás de combustão proveniente do forno da caldeira. Outro possível local para as entradas dos efluentes gasosos incluem toda a área a partir da parte inferior do forno, para a entrada do economizador 16. Os efluentes gasosos podem ser alimentados através das linhas 58 e 28, para a fornalha.

Os gases de combustão da caldeira de sobreaquecimento 18 podem ser usados para dar forma a um padrão de fluxo de gás de combustão, a partir do forno 15 da caldeira de recuperação sobre o "chanfro arredondado" 17 para melhorar a distribuição de gás e a transferência de calor para os sobreaquecedores, ou para gerar as condições necessárias para o controlo da emissão, tal como a janela de temperatura ideal para a redução não-catalítica selectiva (SNCR), para reduzir as emissões de NOx, ou para o crescimento do tamanho das partículas para reduzir a emissão de partículas finas (tamanho inferior a 2,5 micrômetros). Outro possibilidade é utilizar estes gases de combustão para moldar o padrão do fluxo no forno 15 para melhorar a mistura, por exemplo, introduzindo estes gases através de portas localizadas verticalmente, tal como descrito na patente europeia 668,983 (incorporada aqui por referência), em vez de ar ou misturados com ar. A combustão na caldeira de sobreaquecimento 18 pode também ser realizada em condições subestequiométricas. Gases reduzidos assim gerados podem ser introduzidos nos gases de 11 combustão provenientes do forno 15 para reduzir as emissões de óxido de azoto nos gases de combustão provenientes do forno. Sabe-se que determinados combustíveis são mais eficazes do que outros na recuperação para reduzir o teor de óxidos de azoto nos gases de combustão provenientes do forno de uma caldeira de recuperação. Combustíveis de recuperação também podem ser introduzidos no fluxo (s) do gás de combustão a partir da caldeira de sobreaquecimento para melhorar a mistura do gás. A invenção não se destina a ser limitada à forma de realização ilustrada e descrita acima, mas pode ser modificada e variada dentro do âmbito e espírito da invenção tal como definido pelas reivindicações que se seguem. Por exemplo, tanto a gaseificação como o sobreaquecimento podem ser realizados a uma pressão elevada através da qual as vantagens gerais de uma fábrica pressurizada sejam alcançadas.

Lisboa,

Claims (15)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um método de produção de energia numa fábrica de celulose tendo um gasificador, uma caldeira de recuperação, e uma caldeira de sobreaquecimento, compreendendo o referido método: a) combustão da solução de residuos de um processo de celulose num forno da caldeira de recuperação para gerar gases de combustão; b) recuperar o calor dos gases de combustão para produzir vapor na caldeira de recuperação; c) gaseificar um material sólido à base de madeira num gaseificador para produzir um gás combustivel; d) queimar pelo menos parte do gás combustivel na caldeira de sobreaquecimento, e e) alimentar o vapor a partir da caldeira de recuperação para a caldeira de sobreaquecimento e sobreaquecendo o vapor na caldeira de sobreaquecimento para produzir vapor sobreaquecido.

2. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que o vapor é sobreaquecido a uma temperatura na gama de 450 a 600 graus celsius.

3. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que o vapor é sobreaquecido a uma temperatura na gama de 500 a 560 graus celsius.

4. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que o vapor é sobreaquecido a uma temperatura na gama de 530 a 560 graus celsius. 2

5. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo ainda a limpeza do qás combustível do passo (c) antes do passo (d) .

6. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que um combustível contendo enxofre é queimado com o qás combustível na fase d).

7. Um método de acordo com a reivindicação 6, em que o combustível contendo enxofre é um qás não condensável gerado pela fábrica de celulose.

8 . Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a combustão do gás combustível é efectuada sobre condições estequiométricas.

9. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que os gases de combustão são gerados no passo d) e o fluxo de gases de combustão no forno da caldeira de recuperação.

10. Um método de acordo com a reivindicação 9, em que o fluxo de gases de combustão flui para dentro do forno da caldeira de recuperação para aumentar a mistura de gás no forno.

11. Um método de acordo com a reivindicação de qualquer uma das reivindicações anteriores 1-7, em que a combustão do gás combustível está em condições subestequiométricas, e os gases de combustão são gerados e fluem para dentro de um forno da caldeira de recuperação. 3

12. Um método de acordo com a reivindicação 9, em que os gases de combustão gerados no passo d) são misturados com os gases de combustão gerados no passo a).

13. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que uma porção do gás combustivel é queimado num processo de recuperação de cal.

14. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o material sólido à base de madeira é seco antes da gaseificação.

15. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o material sólido à base de madeira é a casca. Lisboa,