PT2011972E - Instalação, método e dispositivo para geração de um fluido de trabalho sobreaquecido - Google Patents

Description

ΡΕ2011972 - 1 -

DESCRIÇÃO

"INSTALAÇÃO, MÉTODO E DISPOSITIVO PARA GERAÇÃO DE UM FLUIDO DE TRABALHO SOBREAQUECIDO"

Domínio da Invenção A invenção diz respeito a um método e um dispositivo, ou seja um sistema, para geração de um fluido de trabalho sobreaquecido - em particular vapor, ou também uma mistura gás-vapor - bem como para reduzir a corrosão em câmaras de combustão, concebidas sobre a forma de caldeiras de aquecimento, e em sobreaquecedores, em incineradoras de resíduos com conteúdo térmico e em instalações de queima de biomassa térmica.

Tecnologia Antecedente

Relativamente ao funcionamento de instalações incineradoras de resíduos e/ou biomassa com conteúdo térmico, encontra-se em primeiro plano a eliminação de forma segura e livre do problemas dos resíduos, da biomassa, ou então de resíduos atípicos. Só gradualmente se têm vindo a executar tentativas para evitar impactos ambientais, limitando as emissões de poluentes. A escassez de recursos energéticos a nível mundial tem ultimamente conduzido a considerar a energia contida em materiais para - 2- ΡΕ2011972 incineração, tornando mais utilizável o poder calorífico bem como os processos, em particular para optimizar o acoplamento energético com uma turbina a vapor para produzir energia eléctrica. Torna-se por isso de extrema importância no futuro melhorar substancialmente o aproveitamento energético do poder calorífico. A presente invenção refere-se, em particular, à incineração ou reciclagem de resíduos, biomassa e lixos perigosos, doravante genericamente designados por materiais combustíveis atípicos. Como materiais combustíveis atípicos, devem por conseguinte ser considerados todos os combustíveis em gue, nos gases de combustão para a zona de chama, existam ou possam existir componentes de gases de combustão corrosivos e/ou susceptíveis de escorificação da caldeira de aguecimento e do eguipamento a jusante. Tais substâncias corrosivas e/ou susceptíveis de escorificação consistem em compostos de cloro e enxofre, e/ou em cinzas com reduzido ponto de fusão gue possam por exemplo apresentar um elevado teor de substâncias alcalinas. Não foram até à data encontradas soluções económicas gue tornem possível, ou seja gue tenham como objectivo, a produção de electricidade a partir de materiais combustíveis atípicos a um nível energético elevado, através da geração de vapor sobreaguecido de alta pressão em caldeiras de vapor em instalações de incineração para materiais combustíveis atípicos. Até ao momento, a maioria das instalações para incineração de materiais -3- ΡΕ2011972 combustíveis atípicos tem sido equipada com caldeiras de vapor para geração de vapor de média pressão (cerca de 40 bar e até um máximo de 60 bar, em particular cerca de 40 a 45 bar) . A necessidade de limitar a pressão é um resultado do aumento de incidência da corrosão a alta temperatura, que ocorre nos materiais utilizados em instalações de vapor que trabalhem a temperaturas superiores a 380 °C ou 400 °C. A corrosão a alta temperatura pode por isso conduzir a que o sobreaquecedor de vapor tenha de ser prematuramente substituído, após curtos períodos de funcionamento (durante os primeiros 12 meses de funcionamento). A fim de se conseguir uma maior eficiência eléctrica, é por exemplo já conhecido, a partir do documento WO2007/014538, o adicional sobreaquecimento de vapor de média pressão num segundo sobreaquecedor, através da utilização de materiais combustíveis não corrosivos. Este método tem a desvantagem de terem de ser fornecidos materiais combustíveis "limpos". Tais materiais combustíveis "limpos" podem ser obtidos a partir de materiais combustíveis atípicos, de acordo com o documento EP 0 823 590, por exemplo através da remoção das substâncias contendo cloro. A partir do documento US 6 381 962 é já conhecido um processo em que o fluido de transferência de calor é aquecido do lado de fora da fornalha num permutador de calor e, em seguida, é enviado para um sobreaquecedor, -4- ΡΕ2011972 funcionando como meio de aquecimento, e o documento GB 682 141 divulga um método em que o vapor é sobreaquecido directamente na própria fornalha pelos gases de combustão, e estes gases de combustão já utilizados para o sobreaquecimento são aplicados para o pré-aquecimento da água. 0 documento US 1 914 140 descreve um método em que o vapor é sobreaquecido directamente na câmara de combustão, e em que um fluido de transferência de calor que é transportado numa conduta de transferência de calor participa activamente na vaporização da água que foi separada no separador de água. A partir da Figura 1 do documento WO 94/07006, é já conhecido um método no qual o aquecimento do fluido de transferência de calor é realizado num aquecedor separado, que é alimentado através dos gases de combustão provenientes da fornalha. O documento FR 2 836 715 divulga na Figura 5 uma instalação em que o sobreaquecedor é colocado do lado de fora da fornalha, e é aquecido a partir de um fluido de transferência de calor conduzido em circuito fechado. Para tal, o fluido de transferência de calor é aquecido directamente em tubos instalados no lado de dentro da câmara de combustão.

Existe portanto o desafio para proporcionar uma instalação e um método com os quais o poder calorífico dos materiais combustíveis atípicos possa ser usado a um mais -5- ΡΕ2011972 elevado nível exergético (elevados níveis de temperatura e de pressão) , e sem prévia separação dos materiais combustíveis atípicos, o que torna possível o aumento da eficiência eléctrica, sem com isso pôr em perigo, devido ao risco de corrosão, a caldeira de aquecimento da instalação de incineração, ou uma caldeira de vapor a jusante de uma zona de chama, ou que possa pelo menos ser alcançada uma redução desse risco.

Em particular, estabelece-se o objectivo de tornar possível um sobreaquecimento do vapor saturado a mais de 400 °C, de preferência a pelo menos 500 °C e a uma pressão de vapor de pelo menos 150 bar, de forma eficiente e economicamente viável, a partir de instalações para materiais combustíveis atípicos, com uma simultânea redução da corrosão na caldeira.

Este objectivo é alcançado através da instalação de acordo com a reivindicação 1, bem como através da fornalha de acordo com a reivindicação 7 e do método de acordo com a reivindicação 13.

Breve Descrição dos Desenhos

Outros modelos de realização, vantagens e aplicações da invenção são obtidos a partir das reivindicações dependentes e da descrição que se segue, a qual faz referência às Figuras. Nos desenhos: -6- ΡΕ2011972 a Figura 1 representa o esquema de montagem de uma instalação para um modelo de realização de acordo com a invenção, e de um respectivo método de acordo com a invenção; a Figura 2 é uma representação tridimensional de um adequado modelo de realização para uma fornalha destinada à incineração de materiais combustíveis atípicos de acordo com a invenção, em simultâneo com o aquecimento de um fluido de transferência de calor; a Figura 3 é uma representação tridimensional de uma fornalha de acordo com a Figura 2, em corte longitudinal; a Figura 4 é uma representação tridimensional de uma fornalha de acordo com a Figura 2, em corte transversal; a Figura 5 é uma representação tridimensional de um elemento de parede com cavidades sob a forma de passagens; a Figura 6 é um pormenor ampliado respeitante à Figura 1, com mais um circuito fechado para pré-aquecimento adicional do fluido de trabalho - em particular o vapor saturado, o vapor húmido, ou o vapor ligeiramente sobreaquecido - no interior das paredes da fornalha; a Figura 7 é uma vista semelhante à Figura 6 com um outro permutador de calor, no qual é adicionalmente pré-aquecido o fluido de trabalho, antes de entrar nas paredes da fornalha, por intermédio da energia residual proveniente do fluido de transferência de calor que sai do sobreaquecedor; -7- ΡΕ2011972 a Figura 8 representa um elemento de parede individual com cavidades sob a forma de passagens dispostas verticalmente, para a condução do fluido de transferência de calor, as quais estão equipadas com uma chapa de reflexão para optimização da transmissão de calor; a Figura 9 representa um elemento de parede individual com cavidades sob a forma de passagens dispostas verticalmente, incluindo os tubos de vapor existentes nas cavidades, em que estes elementos de parede estão equipados com uma chapa de radiação para optimizar a transmissão de calor por radiação para os tubos de vapor; a Figura 10 é uma representação detalhada do encaminhamento do fluido de trabalho e do fluido de transferência de calor, de acordo com a Figura 7; a Figura 11 é uma representação detalhada do encaminhamento do fluido de trabalho e do fluido de transferência de calor, de acordo com a Figura 6; a Figura 12 constitui uma variante, em que as paredes exteriores e as paredes divisórias estão montadas em paralelo para redução da perda de carga no lado do fluido de trabalho e do fluido de transferência de calor, sendo assim despendida menos energia em ventiladores e bombas de água de alimentação; a Figura 13 constitui uma variante para um elemento de parede com cavidades sob a forma de passagens, e tendo integrada uma conduta de encaminhamento para o fluido de transferência de calor. - 8- PE2011972

Lista de números de referência tremonha de alimentação fornalha/zona de chama/câmara de combustão caldeira de vapor/gerador de vapor/permutador de calor dispositivo para tratamento dos gases de combustão ventilador de extracção chaminé paredes laterais e paredes divisórias na zona de chama paredes divisórias na zona de chama paredes longitudinais na zona de chama paredes laterais mais pequenas na zona de chama turbina a vapor de alta pressão sobreaquecedor/permutador de calor (um ou mais estágios com sobreaquecedor intermédio e/ou injecção) permutador de calor (pré-sobreaquecedor) no bypass 15a do fluido de trabalho ventilador de circulação para fluido de transferência de calor conduta de efluentes gasosos conduta de fluido de transferência de calor conduta de purga para fluido de transferência de calor durante o arranque conduta de admissão para fluido de transferência de calor durante o funcionamento conduta de fluido de trabalho (por exemplo, vapor saturado/vapor húmido/vapor ligeiramente sobreaquecido) bypass de fluido de trabalho conduta de fluido de trabalho sobreaquecido (por exemplo, vapor sobreaquecido) primeira unidade de regulação segunda unidade de regulação cavidades sob a forma de passagens câmara de combustão principal câmara de pós-combustão placas das paredes em material cerâmico caneluras de ligação sulcos elemento distribuidor colector de distribuição conduta de admissão do fluido de transferência de calor conduta de descarga do fluido de transferência de calor tubo de evacuação de fumos cavidades para a recepção de meios de fixação isolamento térmico das paredes, respectivamente dos elementos de parede chapa de reflexão chapa de radiação tubos de vapor para a condução de fluidos de trabalho - entre ligeira e moderadamente sobreaquecidos - através das paredes de fornalha acabamento cerâmico do lado do revestimento refractário das cavidades em forma de passagens conduta de encaminhamento para o fluido de transferência de calor -9- ΡΕ2011972

Definiçoes A presente invenção diz em particular respeito à incineração ou reciclagem de lixo/resíduos, substâncias biocombustiveis/biomassa, lixos perigosos/ resíduos perigosos, lixos industriais/resíduos industriais, que serão no que se segue genericamente designados por materiais combustíveis atípicos. Como materiais combustíveis atípicos devem também estar compreendidas todas as substâncias combustíveis que provoquem corrosão na caldeira, para a gama de temperaturas descrita, com muito significativos tempos de imobilização e perdas de disponibilidade.

As expressões caldeira de vapor, gerador de vapor, permutador de calor irão ser aqui vastamente utilizadas como sinónimos. Em particular, a expressão permutador de calor será usada, em cada dispositivo, para a transmissão indirecta de calor. Para o primeiro permutador de calor, que funciona como gerador de vapor, será no que se segue utilizada principalmente a expressão gerador de vapor. Um modelo de realização preferido consiste numa caldeira de vapor. Como segundo permutador de calor, são utilizados geralmente convencionais permutadores de calor, concebidos sob a forma de permutadores de calor de um único estágio ou de diversos estágios com sobreaquecedor intermédio e/ou injecção. 0 segundo permutador de calor, que serve para sobreaquecer o vapor gerado no primeiro permutador de calor, será doravante principalmente - 10- ΡΕ2011972 identifiçado como sobreaquecedor. No âmbito da descrição e das reivindicações, tanto a expressão gerador de vapor como o termo sobreaquecedor devem ser interpretados como estando limitados a um determinado modelo de realização.

No âmbito da descrição que se segue, a designação de fluido de trabalho ligeiramente sobreaquecido (fluido de trabalho após o gerador de vapor) - em particular, vapor ligeiramente sobreaquecido - aplica-se a um fluido de trabalho com uma temperatura até um valor máximo de 400 °C, e a designação de fluido de trabalho sobreaquecido (fluido de trabalho após o sobreaquecedor) - em particular, vapor sobreaquecido - aplica-se a um fluido de trabalho com uma temperatura superior a 400 °C, em particular superior a 500 °C.

Descrição da Invenção

De acordo com a invenção, a instalação para geração de fluido de trabalho sobreaquecido, em particular vapor, a qual é adequada para a incineração de materiais combustíveis atípicos, compreende um tremonha de alimentação 1 para alimentação do material combustível -nomeadamente materiais combustíveis atípicos, de acordo com a invenção - uma fornalha 2 e um gerador de vapor 3 a jusante da fornalha 2, para transmissão de calor dos efluentes gasosos quentes produzidos durante a incineração (gases de combustão) para um fluido de trabalho a ser - 11 - ΡΕ2011972 sobreaquecido, em particular água e/ou vapor, cujo escoamento atravessa o gerador de vapor 3, em que o gerador de vapor 3 está ligado a um sobreaquecedor 9 através de uma conduta de fluido de trabalho 15, de tal maneira que o fluido de trabalho - entre quente a ligeiramente sobreaquecido, em particular vapor saturado, vapor húmido, ou vapor ligeiramente sobreaquecido - seja transportado desde o gerador de vapor 3 até ao sobreaquecedor 9, e - o sobreaquecedor 9 está em comunicação com a fornalha 2 através de uma conduta de fluido de transferência de calor 12, de tal maneira que um fluido de transferência de calor - gerado na fornalha 2 por intermédio de troca de calor - seja encaminhado através desta conduta 12 para o sobreaquecedor 9 e ai funcione como fonte de calor para sobreaquecimento do fluido de trabalho.

Para além disso: (i) o sobreaquecedor 9 está ligado a uma turbina a vapor de alta pressão 8 através de uma conduta 16, de tal maneira que o fluido de trabalho sobreaquecido que sai do sobreaquecedor 9 seja introduzido na turbina a vapor de alta pressão 8 funcionando como força motriz (ver Figura 1); e (ii) a fornalha 2 apresenta uma câmara de combustão que é essencialmente construída a partir de peças em cerâmica refractária, em que são introduzidas cavidades sob a forma de passagens 18 nas paredes 7 da câmara de combustão feitas a partir de - 12- ΡΕ2011972 material refractário, para passagem/condução de um meio de transferência gasoso.

Para câmaras de combustão de pequena dimensão, pode estar previsto um bypass de fluido de trabalho 15a, de maneira que o fluido de trabalho - entre quente e ligeiramente sobreaquecido, em particular vapor saturado, vapor húmido, ou vapor ligeiramente sobreaquecido -proveniente do gerador de vapor 3 seja conduzido, no todo ou em parte, através de um permutador de calor integrado na fornalha 2. Um tal permutador de calor pode minimamente consistir numa parede de câmara de combustão 7 equipada com um sistema de tubos, e de preferência em múltiplas paredes de câmara de combustão 7 assim concebidas. Estes permutadores de calor podem situar-se a montante da própria fornalha 2, constituindo um outro permutador de calor 9a que é aquecido pelo fluido de transferência de calor que sai do sobreaquecedor 9. 0 método de acordo com a invenção para geração de fluido de trabalho sobreaquecido, em particular vapor, em instalações como atrás descritas, caracteriza-se pelo facto de o calor, que está contido nos efluentes gasosos quentes produzidos durante a incineração, ser por um lado transmitido para um fluido de trabalho - em particular água/vapor - cujo escoamento atravessa o gerador de vapor 3, e por outro lado para um fluido de transferência de calor cujo escoamento passa através das paredes 7 da fornalha 2. 0 fluido de trabalho que é extraido de um - 13- ΡΕ2011972 primeiro estágio (instalação principal) após geração de vapor - em particular vapor saturado, vapor húmido ou vapor ligeiramente sobreaquecido - por intermédio dos efluentes gasosos provenientes da fornalha 2 é transportado para um segundo estágio (instalação secundária) sendo ai sobreaquecido por intermédio de um permutador de calor, ou seja o sobreaquecedor 9, e pode subsequentemente ser conduzido para uma turbina a vapor de alta pressão 8 para gerar energia eléctrica, ou para um colector de vapor de alta pressão. 0 sobreaquecedor 9 é alimentado com um fluido gasoso de transferência de calor - de preferência ar, vapor, ou mistura de ar e vapor - funcionando como meio de transferência de calor, o qual foi aquecido, sem energia adicional, nas paredes de câmara de combustão 7 que envolvem a fornalha 2 equipadas com cavidades sob a forma de passagens 18. Para obter um bom funcionamento, estão previstas 2 unidades de regulação. Uma primeira unidade de regulação 17a serve para controlar a taxa de alimentação dos residuos a serem incinerados (velocidade do tapete), a velocidade da grelha e o caudal de ar primário, em função da carga térmica do gerador de vapor 3. Uma segunda unidade de regulação 17b controla o caudal de fluido de transferência de calor, ou seja a sua velocidade de circulação, em função da produção de fluido de trabalho no gerador de vapor 3, ou seja no primeiro estágio, e/ou em função da temperatura do vapor após o sobreaquecedor 9. Um correspondente esquema de montagem é mostrado na Figura 1, onde nem todas as linhas funcionais e de controlo a traço - 14- ΡΕ2011972 interrompido foram desenhadas, em particular para a unidade de regulação 17a. 0 método de acordo com a invenção irá ser agora descrito em maior pormenor, apenas para o caso de se usar vapor de água como fluido de trabalho e ar como fluido de transferência de calor. No entanto, para além do preferido vapor de água, também podem ser usados como meios a serem sobreaquecidos (fluido de trabalho), outros fluidos gasosos susceptiveis de serem sobreaquecidos, tais como C02, hélio, etc. Em vez do ar, o vapor ou uma mistura de ar e vapor serão apropriados, como fluido de transferência de calor, para melhorar a capacidade de condução térmica. 0 vapor húmido, saturado ou pré-sobreaquecido que é gerado, num primeiro estágio no gerador de vapor 3 normalmente a pressões superiores a 40 bar, é encaminhado para um segundo estágio - o permutador de calor, ou seja sobreaquecedor 9, abastecido com ar aquecido que funciona como fluido de transferência de calor e é ai sobreaquecido, em que o sobreaquecimento de vapor será de preferência regulado em função da produção de vapor. Graças à geração de um vapor com elevada pressão, prevalecente no primeiro estágio, e ao sobreaquecimento do vapor no segundo estágio, preferencialmente regulável de forma autónoma em relação ao primeiro estágio, consegue-se uma série de vantagens, nomeadamente a utilização optimizada da energia obtida num estágio de incineração, e optimizada "absorção" - 15- ΡΕ2011972 - ou seja compensação - das flutuações de poder calorífico no material combustível atípico.

Para compensar as flutuações de poder calorífico no material combustível atípico, podem ser proporcionadas entradas de ar primário em diversas zonas de grelha. 0 aumento da alimentação de ar primário pode ser compensado pela redução do ar secundário inserido na câmara de pós-combustão, e/ou dos gases de combustão reciclados, de modo que possa ser mantido constante o caudal de ar à saída. Como meio adicional para exercer influência sobre a incineração, o ar de combustão - em particular o ar primário - poderá ser pré-aquecido antes da sua inserção na câmara de combustão.

Uma outra vantagem da fornalha de acordo com a invenção consiste na sua inércia térmica devida às paredes em cerâmica, que nivela em larga medida as flutuações momentâneas no poder calorífico. A instalação principal (primeiro estágio) e a instalação secundária (segundo estágio) estão ligados entre si por intermédio de um circuito água-vapor fechado. Este acoplamento termotécnico - entre a instalação principal, sob a forma de gerador de vapor, ou seja instalação de vaporização, e a instalação secundária, sob a forma de instalação de sobreaquecimento exterior que trabalha sem adicional consumo de combustível - tem a vantagem, em comparação com os método até agora conhecidos, de a - 16- ΡΕ2011972 instalação secundária poder ser operada como sobreaquecedor, sem parte de vaporização e sem queima suplementar, sendo os custos de investimento reduzidos em comparação com um sobreaquecedor integrado na instalação principal, ou com um sobreaquecedor actuado externamente com queima adicional diferenciada, e não havendo custos adicionais de combustível para o funcionamento do sobreaquecedor externo. A unidade de regulação 17b é usada para a geração de parâmetros (temperatura, pressão) mais constantes para o fluido de trabalho, e garante ao mesmo tempo que as temperaturas de parede na fornalha 2 serão baixadas para valores inferiores ao ponto de amolecimento das cinzas/poeiras.

Graças à concepção e ao comando da instalação de acordo com a invenção, não serão necessários queimadores adicionais nem queimadores auxiliares destinados a queima suplementar, os quais são normalmente utilizados em instalações submetidas às disposições legais em vigor para centrais de tratamento térmico de resíduos (por exemplo, os regulamentos da UE) . Em instalações principais construídas e operadas de acordo com os regulamentos da UE, os queimadores existentes poderão ser acesos aquando das operações de arranque e de paragem, bem como para temperaturas dos efluentes gasosos abaixo dos 850 °C, após a última entrada de ar na câmara de pós-combustão. - 17- ΡΕ2011972

Qualquer alteração na carga térmica é manifestada, na área de combustão, através de uma alteração na concentração de oxigénio nos gases de combustão e, na área da caldeira de vapor, através de uma alteração no caudal de vapor que dela sai. Assim sendo, a concentração de oxigénio representa uma medida que torna possível reagir antecipadamente às variações de carga, isto é, antes de o caudal de vapor se alterar.

Como regulação 17a da instalação principal - a regulação de potência de queima - pode ser utilizada qualquer regulação de potência de queima, por exemplo a que é proporcionada pelo fornecedor do sistema.

Numa apropriada regulação de potência de queima, será por exemplo determinada pelo menos uma das seguintes variáveis de entrada: - o caudal de vapor - a concentração de oxigénio à saída da fornalha, ou seja nos gases de combustão. A fim de tornar possível que as desejadas variáveis de entrada sejam respeitadas, estão previstos 3 circuitos de controlo que preenchem as seguintes funções:

Regulação da alimentação de material combustível, geralmente realizada através do controlo da velocidade do tapete, - Regulação da velocidade da grelha, ou seja, do tempo de residência do material combustível sobre a grelha, - 18- ΡΕ2011972 - Regulação do caudal de ar primário. Preferencialmente, controla num primeiro estágio de regulação o caudal de vapor e, num segundo estágio de regulação, controla a concentração de oxigénio nos gases de combustão.

Aquando de uma queda do caudal de vapor abaixo do valor nominal, irá aumentar o ar primário (a alimentação de ar fresco para a câmara de combustão principal), normalmente mediante a redução do caudal de ar secundário introduzido na pós-combustão. Como consequência, a potência de queima aumenta e o caudal total de ar pode ser mantido constante, se assim for desejado. A evolução da combustão, para aquelas caracteristicas dos lixos que não tenham sido automaticamente medidas, será normalmente ajustada por intervenção manual.

As variáveis que deixam perceber uma alteração na qualidade da combustão, bem como da carga na grelha, serão: - a temperatura da grelha a temperatura do tecto da zona de burn-out ("Ausbranddecke") e a temperatura na zona de chama do lado da caldeira e do lado da tremonha de alimentação.

Uma alteração da carga da grelha é na maior parte das vezes provocada por uma alteração na homogeneidade ou na composição dos materiais combustíveis atípicos, em particular no caso de lixo. - 19- ΡΕ2011972 A espessura da camada de material combustível (lixo) sobre cada uma das zonas de grelha é a principal responsável pelo quantitativo de carga na grelha. Ela pode ser detectada pela temperatura da grelha, a qual é uma função da mesma. Para se exercer influência sobre a carga da grelha actua-se por um lado na velocidade da grelha e, por outro lado, na localização e caudal de alimentação do ar primário.

Uma vez que a potência de queima na instalação principal, e consequentemente o caudal de vapor gerado na instalação principal, é mantida o mais constante possível através da regulação aí prevista, o permutador de calor integrado na fornalha pode ser operado com grande constância da velocidade e do caudal do fluido de transferência de calor. Ao alterar o caudal do vapor fortemente sobreaquecido, por exemplo por redução da potência da turbina, a velocidade de circulação do fluido de transferência de calor conduzido em circuito fechado é ajustada em conformidade.

No que se refere à presente invenção, as instalações principais consistem em incineradoras de resíduos que queimam materiais combustíveis atípicos, tais como resíduos e desperdícios, e em instalações para queima de biomassa (também mencionada como material combustível atípico), cujos gases de combustão contenham componentes corrosivos ou com baixo ponto de fusão das cinzas, e que -20- ΡΕ2011972 portanto nao permitem qualquer elevado sobreaquecimento do fluido de trabalho através dos próprios efluentes gasosos. A instalação secundária, o sobreaquecedor, é preferencialmente concebida sob a forma de permutador de calor separado, em que o vapor que sai da instalação principal se escoa através dos tubos embutidos do sobreaquecedor. Pelo lado de fora destes escoa-se o fluido de transferência de calor conduzido num circuito fechado, o qual terá sido aquecido ao passar através das paredes de câmara de combustão 7 da fornalha 2 concebidas com cavidades sob a forma de passagens (por exemplo perfurações) 18. A circulação em circuito fechado do fluido de transferência de calor é garantida por um ventilador 10 que fica situado a jusante do sobreaquecedor e é atravessado pelo meio de transferência de calor arrefecido a cerca de 400 °C, em que a regulação de caudal é realizada por intermédio de um conversor de frequência, e/ou um dispositivo de regulação a jusante do ventilador (normalmente uma válvula de regulação).

Face ao dimensionamento da fornalha 2, pode ser difícil dotar esta com suficiente superfície de troca de calor para transmitir ao fluido de transferência de calor a quantidade de energia necessária ao sobreaquecimento. Em tais casos, pode ser recomendável conduzir, pelo menos parcialmente e de preferência parcialmente, o fluido de -21 - ΡΕ2011972 trabalho - em particular, o vapor saturado, vapor húmido, ou vapor ligeiramente sobreaquecido - após sair do gerador de vapor 3, não directamente para o sobreaquecedor 9 através da conduta 15, mas antes conduzi-lo previamente através de um bypass de fluido de trabalho 15a que atravessa a fornalha 2, onde tem lugar um sobreaquecimento parcial (ver Figuras 6 e 7) . Este encaminhamento para a fornalha 2 pode ser directamente realizado (Figura 6), ou então atravessando um adicional permutador de calor, ou seja o pré-sobreaquecedor 9a (ver Figura 7). Este pré-sobreaquecedor 9a é integrado na conduta 12, enquanto o seu meio de aquecimento, depois de ter deixado o sobreaquecedor 9 e após o ventilador para circulação de fluido de transferência de calor 10, é conduzido de regresso à fornalha 2. Nestas circunstâncias, o calor residual do fluido de transferência de calor pode ser utilizado para um adicional pré-aquecimento do fluido de trabalho. A passagem através da fornalha 2, ou seja a utilização da fornalha 2 como permutador de calor adicional, pode ser efectuada através de paredes laterais ou paredes divisórias 7, as quais estão equipadas com perfurações com dimensões consideráveis, ou - de preferência - com cavidades de dimensões consideráveis delimitadas por intermédio de chapas de radiação 32 sobre o lado mais afastado da zona de chama, as quais são apropriadas para recepção de tubos de vapor 33 através dos quais será conduzida pelo menos uma parte do fluido de trabalho submetido a pressão que sai do gerador de vapor 3, -22- ΡΕ2011972 (ver Figura 9). Estes tubos de vapor 33 estarão de preferência envolvidos pelo fluido de transferência de calor, para uma melhor transmissão de calor. Nestes tubos de vapor, e por intermédio do calor de radiação, o fluido de trabalho será pré-sobreaquecido, parcialmente sobreaquecido, ou sobreaquecido, dependendo da temperatura na zona de chama 2.

Para um melhor aproveitamento do calor, pode estar previsto que as paredes exteriores ou os elementos de parede exterior 7b, 7c da fornalha 2 disponham de chapas do lado do revestimento refractário; mais concretamente: (i) uma chapa de reflexão 31 (ver Figura 8) sobre o lado das perfurações 18 que está aplicado na câmara de combustão; e respectivamente (ii) uma chapa de radiação 32 (ver Figura 9) sobre o lado dos tubos de vapor 33 mais afastado da câmara de combustão. As paredes exteriores 7b, 7c estão também equipadas com um isolamento térmico 30 - quer se trate de configurações com ou sem chapa de reflexão 31, ou respectivamente chapa de radiação 32 - sobre o seu lado mais afastado da câmara de combustão, ou seja o lado de fora, que pode por exemplo consistir numa massa cerâmica, um mate de isolamento, material refractário, etc. (Figuras 8 a 12) . menos 600 °C.

Na fase de arranque do método de acordo com a invenção, é utilizado um fluido de transmissão de calor gasoso à temperatura ambiente, de preferência ar, o qual é aquecido até pelo menos 600 °C. Este fluido de -23- ΡΕ2011972

transferência de calor é usado para sobreaquecer, no sobreaquecedor 9, o vapor húmido, saturado ou pré-sobreaquecido, proveniente do gerador de vapor 3 até um valor superior a 400 °C, preferivelmente acima dos 520 °C. O fluido de transferência de calor gasoso irá sendo depois progressivamente substituído por vapor, ou misturado com vapor ou qualquer outro fluido de transferência de calor, através de uma conduta de admissão 14, em que o fluido de transferência de calor gasoso à temperatura ambiente é descarregado para fora do circuito de fluido de transferência de calor através de uma conduta de purga 13.

Na fase final, o vapor de água utilizado como meio de transferência de calor irá ser progressivamente substituído por um fluido de transferência de calor gasoso à temperatura ambiente, através de uma conduta de admissão 14, em que o vapor é descarregado para fora do circuito de fluido de transferência de calor através de uma conduta de purga 13.

Como já foi anteriormente explicado, são utilizados dois equipamentos específicos para implementar o método. O primeiro equipamento específico é o sobreaquecedor 9, para onde é enviado o fluido de trabalho - em particular vapor saturado, húmido ou ligeiramente sobreaquecido (pré-sobreaquecido) , nomeadamente vapor vivo gerado numa instalação principal (primeiro estágio), estando este sobreaquecedor 9 de preferência ligado a uma turbina 8 para geração de energia eléctrica. O segundo -24- ΡΕ2011972 equipamento específico é uma fornalha 2 especialmente projectada e construída, compreendendo as paredes laterais de câmara de combustão 7b, 7c e as paredes divisórias de câmara de combustão 7a equipadas com cavidades em forma de passagens (perfurações) 18, através das quais passa o fluido de transferência de calor. Tais paredes divisórias de câmara de combustão podem estar dispostas não só segundo a direcção transversal - como está representado - mas também segundo a direcção longitudinal. Graças à passagem do fluido de transferência de calor através das referidas paredes de câmara de combustão 7, será o fluido de transferência de calor aquecido, com o simultâneo arrefecimento dos gases de combustão que se escoam atravessando a zona de chama, e da superfície mural das paredes de câmara de combustão. Este meio de transferência de calor aquecido será subsequentemente enviado para o sobreaquecedor 9. A fornalha 2 de acordo com a invenção (tal como representada nas Figuras 2 a 5) é caracterizada por: (i) a câmara de combustão ser essencialmente construída por peças em cerâmica refractária, de preferência em material cerâmico repelente em relação à escória, tal como SiC; e (ii) serem introduzidas cavidades sob a forma de passagens (perfurações, orifícios) 18 nas paredes exteriores, ou seja laterais, e nas paredes divisórias 7a, 7b, 7c da câmara de combustão constituídas por material refractário, para passagem/condução de um meio gasoso de transferência - em -25- ΡΕ2011972 particular ar, vapor, ou uma mistura de ar e vapor. Como consequência, são obtidas as seguintes vantagens: - As temperaturas superficiais do revestimento podem assim ser reduzidas, sendo evitada a aderência de cinzas volantes. - Nos tubos de radiação do lado dos produtos de combustão, serão dispensáveis paredes da caldeira dispondo de uma protecção contra a corrosão, o que está associado a uma correspondente redução de custos.

De preferência, as paredes da fornalha 2 estarão equipadas com cavidades 18 que ficam dispostas paralelamente à superfície da parede. As cavidades 18 podem-se desenvolver verticalmente, horizontalmente, de forma sinuosa, etc. em que o percurso horizontal é o preferido.

No caso de a fornalha 2 dever ainda servir como permutador de calor para adicional pré-aquecimento do fluido de trabalho que sai do gerador de vapor 3, esta apresenta cavidades que estão equipadas com tubos de vapor 33, através dos quais é conduzido o fluido de trabalho que se encontra entre ligeira e moderadamente sobreaquecido. Estas cavidades serão de preferência formadas por intermédio de uma placa de radiação 32 sobre o lado mais afastado da zona de chama. Os tubos de vapor 33 podem estar de tal maneira interligados que as paredes exteriores 7b, 7c e as paredes divisórias 7a fiquem ligadas em série ou em paralelo. A ligação em série significa que todo o caudal de -26- ΡΕ2011972 fluido de trabalho se escoa de uma parede à outra (ver Figuras 10 e 11), e a ligação em paralelo significa que o caudal de fluido de trabalho é repartido, sendo estes caudais parciais simultaneamente encaminhados para diferentes elementos de parede (12).

Será também preferível que a fornalha 2 de acordo com a invenção apresente uma câmara de combustão principal 19 e uma câmara de pós-combustao 20. Para optimizar a utilização de calor, e consequentemente o desejado arrefecimento dos gases de combustão na câmara de combustão, serão de preferência proporcionadas paredes divisórias 7a, por intermédio das quais os gases de combustão são deflectidos de forma sinuosa, aumentando assim o seu tempo de permanência na fornalha 2 e melhorando a transmissão de calor para o fluido de transferência de calor.

As cavidades sob a forma de passagens 18 podem consistir em orifícios ou perfurações vazados. De preferência elas têm secção transversal constante e regular, em particular circular. O número de cavidades sob a forma de passagens 18, bem como a respectiva secção transversal, é definido de modo a poder ser assegurada uma transmissão de calor optimizada.

As paredes laterais 7b, 7c da fornalha são de preferência construídas a partir do menor número possível de peças cerâmicas (placas em cerâmica 21), sempre que -27- ΡΕ2011972 possível pré-fabricadas numa instalação fabril. De preferência, seriam formadas paredes em peça única, para que a fornalha apresentasse o menor número possível de juntas a serem vedadas. No entanto, dificilmente estarão disponíveis paredes cerâmicas com cavidades sob a forma de passagens no tamanho desejado. As paredes grandes terão geralmente de ser localmente erigidas, ou seja construídas, a partir de elementos cerâmicos individuais (blocos refractários) dispondo de cavidades. Para melhorar a vedação dos "blocos refractárias de montagem", as placas das paredes cerâmicas 21 são concebidas, de preferência na zona das bordas, com caneluras de ligação 22 ou outros elementos de encaixe, estando os respectivos "rebordos de acoplamento" equipados com correspondentes sulcos 23 ou outros elementos de encaminhamento.

Na direcção vertical, de acordo com a instalação da fornalha 2, as arestas das placas constituintes das paredes laterais vão afunilando em direcção a uma zona localizada do lado de fora, ou seja, são concebidas de modo que as aberturas das cavidades sob a forma de passagens 18 fiquem abertas, desembocando respectivamente num colector de distribuição 25 em duas ou três partes, constituído através de duas ou três placas de cerâmica e um elemento distribuidor 24. Na construção de um colector de distribuição em três partes 25 irão participar três paredes, ou então troços de parede, nomeadamente dois troços de uma parede lateral 7b e a parede divisória 7a, quando simultaneamente uma parede divisória 7a desembocar -28- ΡΕ2011972 neste colector. Neste local, as placas das paredes laterais não estão directamente ligadas umas com as outras, mas sim ligadas entre si através da parede divisória 7a. Para melhorar esta ligação, podem ser usados meios análogos aos que foram anteriormente descritos, ou seja, sulcos e caneluras por exemplo. 0 elemento distribuidor é concebido de maneira a constituir colectores parciais, conjuntamente com os lados frontais dos troços de parede da parede longitudinal 7b e o lado frontal da parede divisória 7a, os quais estão fechados uns em relação aos outras e podem ser abastecidos individualmente com fluido de transferência de calor. A vantagem de uma tal concepção do colector de distribuição sob a forma de três colectores parciais tem a ver com a menor perda de carga no fluido de transferência de calor.

Tal como atrás descrito, serão de preferência disponibilizados elementos distribuidores 24 - e respectivos colectores de distribuição 25 - em todas as junções verticais de placas constituintes das paredes do lado longitudinal 7b, e de placas constituintes das paredes divisórias - e respectivas paredes laterais mais pequenas 7c - que estão dispostas perpendicularmente em relação àquelas. A admissão e a descarga do fluido de transferência de calor para estes colectores de distribuição 25 é respectivamente realizado através da conduta de admissão 26 e da conduta de descarga 27. -29- ΡΕ2011972

Relativamente às cavidades sob a forma de passagens 18 verticalmente orientadas, poderá fazer sentido a utilização de elementos de parede que disponham de uma conduta de encaminhamento vertical 35 para fluido de transferência de calor do lado do revestimento refractário (ver Figura 13). Um determinado modelo de realização é também adequado para a fabricação de uma parede 7 com cavidades sob a forma de passagens 18 horizontalmente dispostas.

Através da presente invenção está por conseguinte, também englobada uma fornalha 2 cujas paredes 7 são construídas, pelo menos parcialmente, a partir de elementos de parede, em que os elementos de parede apresentam cavidades sob a forma de passagens 18 e se desenvolvem na mesma direcção que as condutas de encaminhamento 35 para o fluido de transferência de calor. A fim de estabilizar as placas de cerâmica, pode ser proporcionada uma ou mais cavidades sob a forma de passagens 29 de maior diâmetro, as quais se destinam a receber um tubo estabilizador arrefecido que funciona respectivamente como meio de fixação, estando de preferência equipado com um isolamento térmico. Para o isolamento térmico será por exemplo introduzida, entre a parede interna da cavidade sob a forma de passagem 29 e o tubo arrefecido, uma massa de moldagem de isolamento térmico. -30- ΡΕ2011972 A alimentaçao/entrada da fornalha 2 através do fluido de transferência de calor reciclado a partir do sobreaquecedor 9 é realizada sempre que possível em paralelo, a fim de se poder manter a perda de carga em valores baixos ou reduzidos. Também é possível uma entrada em série, isto é um encaminhamento sinuoso do fluido de transferência de calor nas paredes, embora estejam associadas grandes perdas de carga a um tal encaminhamento do fluido de transferência de calor, e à elevada velocidade dele resultante em particular superior a 60 m/s, as quais são indesejáveis.

Lisboa, 28 de Outubro de 2013

Claims (19)

1. ΡΕ2011972 - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Instalação para geração de um fluido de trabalho sobreaquecido, em particular vapor, por intermédio de um fluido de transferência de calor, constituída por uma tremonha de alimentação (1) para fornecimento de materiais combustíveis a uma fornalha (2) e por um gerador de vapor (3) situado a jusante da fornalha, para transmissão de calor a partir dos efluentes gasosos quentes produzidos durante a combustão para um fluido de trabalho a ser sobreaquecido que se está a escoar através do gerador de vapor (3); em que o gerador de vapor (3) está ligado a um sobreaquecedor (9) através de uma conduta de fluido de trabalho (15), de maneira a transportar para o sobreaquecedor (9) o fluido de trabalho que sai do gerador de vapor (3), entre saturado e ligeiramente sobreaquecido; em que o sobreaquecedor (9) está em comunicação com a fornalha (2) através de uma conduta de fluido de transferência de calor (12), de tal maneira que um fluido gasoso de transferência de calor gerado na fornalha (2) através de troca de calor seja conduzido através desta conduta (12) para o sobreaquecedor (9), e aí funcione como uma fonte de calor para sobreaquecimento do fluido de trabalho no sobreaquecedor (9); em que o sobreaquecedor (9) está ligado a uma turbina a vapor de alta pressão (8) através de uma conduta (16), de tal maneira que o fluido de trabalho sobreaquecido que deixa o sobreaquecedor (9) seja -2- ΡΕ2011972 conduzido para a turbina a vapor de alta pressão (8), aí funcionando como uma força motriz; e em que a instalação é adequada para a incineração de materiais combustíveis atípicos funcionando como material combustível, sendo caracterizada por a fornalha (2) apresentar uma câmara de combustão que é essencialmente construída a partir de peças em material cerâmico refractário; e caracterizada por serem inseridas cavidades sob a forma de passagens (18) no interior das paredes (7) da câmara de combustão constituídas por material refractário, para condução/ passagem do fluido gasoso de transferência de calor.
2. 2. Instalação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a fornalha (2) apresentar uma câmara de combustão, a qual está configurada sob a forma de uma câmara de combustão principal (19), uma câmara de pós-combustão (20) e tubo de evacuação de fumos (28), em que as suas paredes (7) dispõem de cavidades sob a forma de passagens (18) que são dispostas paralelamente à superfície de parede e desembocam, num dos seus lados frontais, para dentro de um colector de distribuição (25) de fluido de transferência de calor, para admissão do fluido de transferência de calor e, no outro lado frontal, para dentro de um colector de distribuição (25) do fluido de transferência de calor para descarga do fluido de transferência de calor. -3- ΡΕ2011972
3. 3. Instalação de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizada por as cavidades (18) serem configuradas sob a forma de perfurações ou de orifícios, de preferência com secção transversal constante e regular, em particular circular.
4. 4. Instalação de acordo com qualquer uma das precedentes reivindicações, caracterizada por a fornalha (2) também estar equipada com paredes divisórias de câmara de combustão; e caracterizada por o material refractário das paredes da câmara de combustão (7b, 7c) e das paredes divisórias de câmara de combustão (7a) consistir em material cerâmico repelente em relação à escória.
5. 5. Instalação de acordo com qualquer uma das precedentes reivindicações, caracterizada por compreender um primeira unidade de regulação (17a) e/ou um segunda unidade de regulação (17b), em que este segunda unidade de regulação (17b) controla o caudal de alimentação do fluido de transferência de calor em função da produção de fluido de trabalho, concretamente do fluido de trabalho com elevado sobreaquecimento.
6. 6. Instalação de acordo com qualquer uma das precedentes reivindicações, caracterizada por pelo menos uma parte do fluido de trabalho a jusante do gerador de vapor (3) ser conduzida, para aquecimento adicional, através de um bypass de fluido de trabalho (15) que atravessa a fornalha (2), eventualmente através de um pré- -4- ΡΕ2011972 sobreaquecedor (9a), e só sendo subsequentemente conduzida para o sobreaquecedor (9), em que pelo menos algumas das paredes (7) da fornalha (2) apresentam cavidades com tubos de vapor (33) ai dispostos, de tal maneira que os tubos de vapor possam ficar envolvidos pelo fluido de transferência de calor.
7. 7. Fornalha (2) adequada para ser utilizada numa instalação de acordo com qualquer uma das precedentes reivindicações, sendo a câmara de combustão da fornalha (2) construída essencialmente a partir de peças em material cerâmico refractário, e sendo introduzidas cavidades sob a forma de passagens (18) nas paredes (7) da câmara de combustão feitas em material refractário, nomeadamente cavidades (18) dispostas paralelamente à superfície de parede, em que as paredes (7) são construídas a partir de elementos de parede, e em que tais elementos de parede apresentam cavidades sob a forma de passagens (18) - para condução/passagem de um fluido gasoso de transferência de calor - e condutas de encaminhamento (35) para o fluido de transferência de calor que se estendem na mesma direcção.
8. 8. Fornalha (2) de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por estarem previstas paredes divisórias (7a) na câmara de combustão, as quais estão equipadas com cavidades sob a forma de passagens (18) para condução do fluido de transferência de calor, e por intermédio das quais os gases de combustão são desviados, pelo menos parcialmente, de uma forma sinuosa, de maneira a aumentar o -5- ΡΕ2011972 seu tempo de permanência na fornalha (2) e a melhorar a transmissão de calor para o fluido de transferência de calor.
9. 9. Fornalha (2) de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizada por as cavidades sob a forma de passagens (18) consistirem em orifícios ou perfurações vazados, com secção transversal constante e regular, em particular circular.
10. 10. Fornalha (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizada por as peças de cerâmica serem fabricadas sob a forma de placas, e por as placas que formam as paredes laterais da câmara de combustão apresentarem lados frontais que vão afunilando em direcção a uma zona localizada do lado de fora, de tal forma que as aberturas das cavidades sob a forma de passagens (18) desemboquem num colector de distribuição (25) em duas ou três partes, o qual é constituído através de duas ou três placas de cerâmica e um elemento distribuidor (24) e está ligado, em pelo menos um local, com uma conduta de admissão (26) do fluido de transferência de calor, ou com uma conduta de descarga (27) do fluido de transferência de calor.
11. 11. Fornalha (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizada por pelo menos algumas das paredes (7) apresentarem cavidades com tubos de vapor (33) nelas dispostas. -6- ΡΕ2011972
12. 12. Fornalha (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizada por as peças cerâmicas refractárias serem feitas em material cerâmico repelente em relação à escória.
13. 13. Método para geração de um fluido de trabalho sobreaquecido, em particular vapor, em instalações de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em particular usando residuos/lixo ou biomassa como material combustível, em que o fluido de trabalho - em particular, vapor saturado, vapor húmido, ou vapor ligeiramente sobreaquecido - retirado do gerador de vapor (3) de um primeiro estágio (instalação principal) é transportado para dentro do sobreaquecedor (9) de um segundo estágio (instalação secundária) e aí sobreaquecido por intermédio do sobreaquecedor (9), sendo subsequentemente enviado para uma turbina a vapor de alta pressão (8) para geração de energia eléctrica; o método é caracterizado por o sobreaquecedor ser alimentado ou abastecido pelo fluido gasoso de transferência de calor que foi aquecido nas cavidades (18) da fornalha (2).
14. 14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o gerador de vapor (3) e o sobreaquecedor (9) serem conjuntamente acoplados por um meio gasoso de transferência de calor conduzido em circuito fechado. -7- ΡΕ2011972
15. 15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o meio gasoso de transferência de calor conduzido em circuito fechado consistir em ar ou em vapor.
16. 16. Método de acordo com as reivindicações 13 a 15, caracterizado por as paredes de câmara de combustão (7) serem arrefecidas até uma temperatura inferior à temperatura de fusão das cinzas, por intermédio do fluido gasoso de transferência de calor que circula nas cavidades (18) das paredes de câmara de combustão (7).
17. 17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado por pelo menos uma parte do fluido de trabalho a jusante do gerador de vapor (3) ser conduzida para aquecimento adicional através de um bypass de fluido de trabalho (15a) que atravessa a fornalha (2), e eventualmente através de um pré-sobreaquecedor (9a), e só depois ser conduzida para o sobreaquecedor (9).
18. 18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado por ser utilizado, na fase de arranque, um fluido de transferência de calor que é gasoso à temperatura ambiente, de preferência ar; caracterizado por o fluido de transferência de calor ser aquecido, de preferência a pelo menos 600.°C; caracterizado por este fluido de transferência de calor ser utilizado para sobreaquecer até um valor superior a 520.°C, no sobreaquecedor (9), o vapor húmido, vapor saturado ou vapor pré-sobreaquecido proveniente do gerador de vapor (3); e -8- ΡΕ2011972 caracterizado por o fluido gasoso de transferência de calor ser progressivamente substituído por vapor, ou misturado com vapor ou com outro fluido de transferência de calor, através de uma conduta de admissão (14), em que o fluido de transferência de calor gasoso à temperatura ambiente é descarregado para fora do circuito de fluido de transferência de calor através de uma conduta de purga (13) .
19. 19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 18, caracterizado por, na fase final, o vapor de água usado como fluido de transferência de calor ser progressivamente substituído por um fluido de transferência de calor gasoso à temperatura ambiente, através de uma conduta de admissão (14), em que o vapor é descarregado para fora do circuito de fluido de transferência de calor através de uma conduta de purga (13) . Lisboa, 28 de Outubro de 2013