PT2504649E

PT2504649E - Processo e instalação de secagem de materiais pastosos, em particular lamas de estações de tratamento de águas residuais

Info

Publication number: PT2504649E
Application number: PT107904781T
Authority: PT
Inventors: Pierre Emmanuel Pardo
Original assignee: Degrémont
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2014-07-10
Also published as: CN102713481B; RU2555047C2; RU2012126090A; BR112012012380B8; CA2781038A1; PL2504649T3; US20120304488A1; CA2781038C; AU2010320518B2; FR2953005A1; FR2953005B1; BR112012012380A8; JP2013511693A; CN102713481A; JP5847726B2; EP2504649B1; BR112012012380B1; WO2011061715A1; AU2010320518A1; EP2504649A1

Description

ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Processo e instalação de secagem de materiais pastosos, em particular lamas de Estações de Tratamento de Águas Residuais" A presente invenção refere-se a um processo de secagem térmica de materiais pastosos, em particular de lamas provenientes de estações de tratamento de águas residuais, com um consumo de energia térmica muito baixo. A presente invenção pode ser utilizada para a secagem de qualquer sistema pastoso que se pretenda secar e que possa, sob uma forma pré-seca, ser posto sob a forma de cordões semelhantes a esparguete. É bem conhecida a técnica de secagem térmica das lamas provenientes de estações de águas residuais urbanas: existem diferentes tecnologias que permitem obter um produto acabado cuja secura final é igual ou superior a 85%. A principal critica à secagem térmica é a do forte dispêndio energético necessário para esta secagem e, portanto, os custos de exploração dai decorrentes. É por esta razão, que em certos processos de secagem em bandas, a secagem térmica pode, para secar as lamas, recuperar calorias de temperatura baixa (50-90°C), calor inevitável (fatal) e portanto não utilizado de um outro processo (cogeração, condensação de turbina, bomba de calor, sistema solar térmico, caldeira de biogás.. .) . No entanto, este calor fatal não é, em geral, suficiente para secar totalmente as lamas. Daqui resulta um consumo energético importante.

Por outro lado, estas tecnologias de secagem em bandas a temperatura baixa não são utilizáveis para secar lamas que não estejam suficientemente desidratadas a montante, uma vez que não é possível espalhar correctamente um tapete de esparguete sobre o secador. 2 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Noutros processos, a secagem térmica recupera calor do próprio processo de secagem, mas esta concretização não está optimizada energeticamente.

Os secadores existentes actualmente têm uma necessidade de energia para a secagem da lama de cerca de 900-1100 kWh/TEE (Tonelada de Água Evaporada). Os secadores podem ser secadores directos, segundo os quais o fluido quente de secagem, em geral um gás, está directamente em contacto com as lamas a secar, ou indirectos, segundo os quais o fluido quente de secagem, gás ou liquido, transmite o seu calor às lamas através de uma parede. A secura de uma lama pode ser definida como a razão entre a massa de matérias secas (MS) e a massa total da lama (MS + água), a saber: MS/ (MS + H2O) . A patente EP 0 781 741 BI divulga um processo de secagem de produtos pastosos, em particular de lamas de estações de tratamento de águas residuais, do género que compreende: - uma primeira etapa de secagem (secagem indirecta) que recebe as lamas com uma secura de entrada Se e fornece à saida lamas com uma secura intermédia Si; - uma etapa de formação das lamas em cordões à saida da primeira etapa, - e uma segunda etapa de secagem directa dos cordões de lama com o auxilio de um gás quente, originando à saída um produto com uma secura final Sf.

Esses processos de secagem e sistemas de secadores com pré-evaporação das lamas podem obter consumos de 700-800 kWh/TEE. Este consumo energético é optimizado em relação aos secadores referidos no inicio porque uma reutilização de uma parte da energia utilizada na primeira etapa é injectada na segunda etapa para a secagem nesta última. No entanto, de acordo com a patente EP 0781 741 Bl, face às condições de secura à saída da pré-evaporação (40-60%) e às condições de temperatura utilizada no secador (120°C), os circuitos energéticos não estão optimizados. 3 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ A presente invenção propõe-se fornecer uma solução energética para a secagem de lamas, por optimização do processo e regulação sobre o consumo energético e por adaptação à utilização não constante de uma energia externa a baixa temperatura (50-90°C). O objectivo desta invenção é, portanto, fornecer um processo de secagem de produtos pastosos do género definido anteriormente no qual o consumo energético é minimizado.

De acordo com a invenção, um processo de secagem de matérias pastosas, em particular de lamas de estações de tratamento de águas residuais, que compreende duas etapas de secagem, a saber: uma primeira etapa de secagem do tipo indirecto, alimentada com fluido quente que recebe as lamas com uma secura de entrada Se e fornece à saída lamas com uma secura intermédia Si e vapor de água que é dirigido para um condensador (8) para aí reaquecer um circuito de fluido de aquecimento, designadamente água; - uma etapa de formação das lamas em cordões, à saída da primeira etapa, - e a segunda etapa de secagem dos cordões de lamas aquecidos de maneira directa com o auxílio de um gás, ele próprio aquecido pelo circuito de fluido de aquecimento, esta segunda etapa fornecendo à saída um produto com uma secura final Sf, é caracterizado por a secura intermédia Si ser controlada em função da secura de entrada medida, Se, e da secura de saída, Sf, pretendida, para um consumo mínimo da energia global utilizada para a secagem, sendo o caudal, a pressão e/ou a temperatura do fluido quente que alimenta a primeira etapa de secagem ajustados em conformidade.

De preferência, o processo consiste em controlar a secura à saída da pré-evaporação, ou secura intermédia, de tal forma que o calor recuperado da primeira etapa de 4 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ evaporaçao seja necessário e suficiente para a secagem da segunda etapa.

De preferência, determina-se a secura intermédia Si, para um consumo minimo da energia global, a partir da medição da secura de entrada Se, da secura de saída Sf, pretendida e de parâmetros que compreendem um coeficiente específico do condensador, um coeficiente espéÉico da segunda etapa de secagem e, caso se justifique, um calor gratuito fornecido Qo. A secura intermédia Si pode ser controlada de tal forma que o calor recuperado da primeira etapa através do condensador seja necessário e suficiente para a secagem da segunda etapa.

Vantajosamente utiliza-se um circuito de calor a temperatura baixa, em particular compreendida entre 30°C e 90°C, para o aquecimento da segunda etapa, que comporta um liquido, em particular água, em circulação num circuito fechado, que atravessa o condensador para aí recuperar o calor do vapor condensado, e um permutador de calor líquido/gás para aquecer o gás da segunda etapa de secagem. O circuito de calor de baixa temperatura pode comportar um permutador entre o líquido e o circuito e uma derivação de fluido térmico da primeira etapa de secagem. 0 circuito de calor de baixa temperatura pode também comportar um permutador de calor para aquecer o líquido do circuito, para recuperação de energia, de baixa temperatura, fatal ou de baixo custo. A invenção refere-se igualmente a uma instalação para a realização do processo definido anteriormente que compreende: - um primeiro secador alimentado por fluido quente que recebe lamas com uma secura de entrada, Se, e fornece à saída lamas com uma secura intermédia, Si, e vapor de água que é dirigido para um condensador para aí aquecer um fluido de aquecimento para um segundo secador; - um dispositivo de formação das lamas em cordões à saída do primeiro secador, 5 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ - e ο segundo secador dos cordões de lamas com auxílio de um gás, designadamente ar, aquecido pelo menos em parte pelo calor extraído do condensador, por intermédio do fluido de aquecimento, este segundo secador fornecendo à salda um produto com uma secura final, Sf, instalação esta que é caracterizada por comportar meios para controlar a secura intermédia, Si, em função da secura de entrada medida, Se, e da secura de saída Sf pretendida, para um consumo mínimo da energia global utilizada para a secagem, sendo o caudal, a pressão e/ou a temperatura do fluido quente que alimenta a primeira etapa de secagem ajustados em conformidade.

De preferência, a instalação comporta um circuito de calor de baixa temperatura, em particular compreendida entre 30°C e 90°C, para o aquecimento da segunda etapa que comporta um liquido, em particular água, posta em circulação num circuito fechado, atravessando o condensador para aí recuperar o calor do vapor condensado e um permutador de calor líquido/gás para aquecer o gás da segunda etapa de secagem.

Vantajosamente, a instalação comporta um ventilador de velocidade regulável, cuja aspiração está ligada à saída de vapor e gás do primeiro secador e cuja descarga está ligada ao condensador, a velocidade do ventilador sendo comandada de modo a manter uma depressão pequena (da ordem de alguns mbar) e controlada no primeiro secador. A transferência das lamas entre a saída do primeiro secador e o dispositivo (5) de formação à entrada do segundo secador pode ser assegurada por um parafuso sem alma de velocidade regulada, permitindo assegurar a estanquidade ao gás à saída do primeiro secador. O circuito de baixa temperatura de circulação de líquido da instalação pode compreender: • uma parte a temperatura baixa compreendida entre 30-80°C, de preferência entre 60-70°C, a montante do condensador, 6 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ • uma parte a temperatura média, compreendida entre 40-90°C, de preferência entre 70-80°C, à saida do condensador; • um permutador de calor entre o liquido do circuito e uma fonte de energia gratuita, a jusante ou a montante do condensador para reaquecer o liquido do circuito por uma fonte de energia de baixa temperatura gratuita, ou de baixo custo, em particular o motor de uma unidade de cogeração, uma bomba de calor, uma caldeira de biogás ou a lenha, sistemas solares térmicos ou outra fonte de energia fatal,

- à saida do permutador de calor entre o liquido do circuito e a fonte de energia gratuita, um permutador com uma derivação do fluido térmico que permite acabar de reaquecer o liquido do circuito a uma temperatura regulada, para o segundo secador, compreendida entre 40-90°C, de preferência entre 80-90°C um permutador de calor líquido-gás, em particular água-ar, que permite aquecer, pelo líquido do circuito, o gás do segundo aquecedor, posto em movimento em particular por um ventilador de circulação, - uma bomba para a circulação de água no circuito.

Vantajosamente, a instalação comporta uma regulação que compreende um primeiro circuito de regulação para assegurar uma regulação directa da secura intermédia Si à saída do primeiro secador, com um meio de cálculo e de comando, em particular um autómato, fixando um valor de referência de secura intermédia Sic a partir de parâmetros de funcionamento. A regulação pode ser concebida de forma a determinar um valor de referência de secura intermédia Sic de acordo com a fórmula:

Sic = (β + α * 556) / [(|S -89*a)/Sf + 645*afâe +Qo)] na qual: 7 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Se é a secura de entrada medida, (%)

Sf é a secura final pré-determinada, (%)

é um coeficiente especifico da segunda etapa de secagem (6), em kWh/TEE é um coeficiente especifico do condensador (8), (adimensional) e Qo é um calor gratuito, eventualmente fornecido em kWh/TMS. 0 autómato pode controlar uma válvula de controlo de caudal, da pressão ou da temperatura do fluido térmico, em função da secura intermédia medida, este controlo sendo efectuado pela regulação da pressão do fluido térmico no caso de um fluido térmico vapor, ou pela regulação do caudal ou da temperatura (por mistura com um retorno frio do fluido térmico), no caso de um fluido térmico do tipo fluido orgânico. A instalação pode comportar uma regulação que compreende um circuito de regulação que controla a quantidade de calor Q3 fornecido no permutador entre o fluido térmico e o liquido do circuito de baixa temperatura. 0 circuito de regulação que controla a quantidade de calor Q3 fornecido no permutador entre o fluido térmico e o liquido do circuito de baixa temperatura pode constituir um segundo circuito de regulação. A regulação da instalação pode ser assegurada unicamente a partir deste segundo circuito fazendo um curto-circuito (ou um by-pass) ao primeiro circuito de regulação. O permutador de calor entre o fluido térmico e o liquido do circuito de baixa temperatura pode ter por referência de controlo a temperatura do liquido do circuito à saída do permutador, esta temperatura permitindo o funcionamento eficaz do permutador entre o fluido térmico e o gás do segundo secador e permitindo assegurar que as necessidades energéticas do segundo secador estão equilibradas. 8 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ A instalação pode comportar um circuito de regulação de acordo com o qual se mede o calor Q3 fornecido ao permutador, por intermédio de uma medição da temperatura e do caudal à entrada e à saida do permutador e, se o calor Q3 for superior a um valor de referência determinado, próximo de zero mas não nulo para ter sempre um intervalo de regulação, a regulação modifica o sinal de saida do primeiro circuito de regulação de forma que o calor fornecido ao primeiro secador de ajuste. A regulação da instalação, para estar nas condições óptimas para o permutador e o condensador, pode comportar um terceiro circuito de regulação que utiliza como referência a temperatura do circuito de água saído do permutador. O terceiro circuito de regulação é vantajosamente concebido para utilizar uma temperatura de referência que é definida em relação a um ponto de referência dependente do caudal de lamas medido ao nível da bomba de alimentação de lamas e, quando a temperatura à saída do permutador entre o líquido do circuito de baixa temperatura e o gás do segundo secador aumenta, a bomba de circulação do circuito diminui o seu caudal num intervalo aceitável para os componentes. A invenção prevê utilizar um circuito de calor de baixa temperatura para o aquecimento da segunda etapa. Este circuito permite recuperar a energia de baixa temperatura fatal, ou de custo reduzido, para o aquecimento do segundo secador. Em função da energia recuperada desta energia fatal ou de custo reduzido, a secura à saída da primeira etapa será ajustada.

As tecnologias de secadores comportam também frequentemente uma recirculação das lamas com a finalidade, quer de não ter lugar a fase plástica das lamas (45 a 65% de secura) no interior do secador, quer de preparar as lamas a montante a fim das mesmas serem compatíveis com a tecnologia de secagem. mais A invenção não utiliza recirculação das lamas e permite portanto obter uma explorabilidade do sistema importante. 9 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Assim, entre as vantagens proporcionadas pelo processo objecto da invenção, face às técnicas existentes, podem-se citar:

• um consumo de energia inferior a todas as tecnologias: de 400 à 600 kWh/TEE em vez de 1000 ou 700-800 kWh/TEE • uma possibilidade de diminuir ainda este consumo pela optimização do circuito energético em função da energia gratuita fatal, ou de custo reduzido, de temperatura baixa ou média disponível. • uma utilização para todo o tipo de lamas, adaptando a tecnologia de "esparguetização", isto é formação em cordões, às lamas encontradas. • uma não utilização de um processo de recirculação das lamas. A invenção consiste, deixando à parte as disposições expostas acima, num certo número de outras disposições de que se fará mais explicitamente questão em seguida, a propósito de exemplos de realização descritos com referência aos desenhos anexos mas que não são de forma alguma limitativos. Nestes desenhos: A Fig.l é um esquema de uma instalação que põe em prática o processo da invenção. A Fig.2 é um esquema de um dispositivo complementar para a instalação, e A Fig.3 é um diagrama que ilustra a variação da razão: calor recuperado/calor utilizado na primeira etapa de secagem, expressa em % e apresentada em ordenadas, em função da temperatura em °C dos não condensáveis, à saída da primeira etapa de secagem, apresentada em abcissas.

Fazendo referência à Fig.l dos desenhos, pode-se verificar que uma instalação de acordo com a invenção comporta uma alimentação de lamas pastosas com uma secura 10 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ geralmente compreendida entre 16 e 30%, assegurada por uma bomba 1. As lamas entram de maneira estanque num primeiro secador do tipo indirecto. Este secador pode ser, por exemplo, de tipo de camada fina, de discos ou de pás. 0 secador de discos será sempre preferido.

Este secador indirecto 2 é aquecido por um circuito de fluido térmico 3, do qual se controla a temperatura de entrada, a temperatura de sarda, o débito e a pressão. Fazendo isto, controla-se a quantidade de energia Q1 fornecida ao secador 2. O fluido térmico 3 pode ser por exemplo vapor ou um fluido orgânico, designadamente óleo, cuja temperatura pode ser de 180°C a 210°C, a titulo de exemplo não limitativo. O secador indirecto 2 está também equipado com meios de medição de pressão (não representados) repartidos regularmente e com um meio de medição (não representado) do peso do secador. A estanquidade deste secador é trabalhada de modo que as entradas de ar sejam mínimas. Além disso, para uma optimização térmica suplementar, este secador pode ser correctamente isolado termicamente.

Na saída do secador indirecto 2, as lamas são conduzidas por um parafuso 4, alojado num tubo cilíndrico que permite uma redução da entrada de ar no secador, na saída deste secador. 0 parafuso 4 é em particular constituído por um parafuso sem alma. A temperatura do parafuso pode ser mantida pela rede de aquecimento de água À saída do parafuso, as lamas passam num dispositivo 5 de formação em cordões, igualmente denominado "esparguetizador" que permite criar, forçando as lamas através dos orifícios calibrados, um tapete de esparguetes, ou cordões, sobre as bandas 6a, 6b de um secador de bandas 6. O secador de bandas 6 pode ser de uma ou várias etapas, a fim de optimizar o consumo específico deste secador.

Um ventilador 7 permite controlar a pressão no secador 2, a fim de manter uma depressão pequena e controlada. Este ponto é essencial porque, por um lado, o secador 2 não deve 11 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ estar em sobrepressão para evitar eventuais fugas de odores mas, além disso, o secador 2 não deve estar em depressão demasiado forte para evitar eventuais entradas de ar no circuito de extracção do ventilador 7, o que modificaria fortemente o balanço térmico do conjunto. A estanquidade do secador 2 é portanto controlada por uma perfeita estanquidade da entrada e também dos pontos de acesso ao secador. A estanquidade da saída do secador 2 é assegurada: • pela saída das lamas na parte baixa 2a do secador, parte cheia de lamas. • pela presença do parafuso 4 sem alma de velocidade regulada nesta parte baixa. Este parafuso 4 permite controlar a quantidade de lamas no secador de modo que seja sempre suficiente para assegurar a estanquidade. Este parafuso é regulado pelo peso do secador 2. • pela colocação em depressão deste parafuso 4 na salda do parafuso ao nível do esparguetizador 5, por um ventilador dedicado 15.

Por fim, a estanquidade é assegurada pelo respeito controlado da pressão no secador 2 graças ao ventilador 7. O ventilador 7, ligado por uma conduta à extremidade mais alta do secador 2, aspira o ar, o vapor de água e os não condensáveis para os enviar por uma conduta para o condensador 8. Controla-se o caudal de ar ao nível do ventilador 7 sem deixar o vácuo (criado pela condensação do vapor de água que sai do secador 2 e é enviado para o condensador 8) provocar de maneira descontrolada a aspiração no secador.

Os vapores aspirados pelo ventilador 7 contêm vapor de água e uma quantidade de produtos não condensáveis, dependendo da qualidade das lamas e da estanquidade mas, em geral, inferior a 10% em massa, com uma estanquidade bem controlada. Estes produtos não condensáveis provêm da vaporização de uma parte de compostos das lamas e de uma muito pequena entrada de ar. 12 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Estes vapores atravessam em seguida o condensador de água 8, no qual circula a água de um circuito térmico de baixa temperatura Bl, base da recuperação energética. O circuito de baixa temperatura Bl é constituído pelas partes seguintes: • uma parte Bl.1 de temperatura baixa 30-80°C, de preferência 60-70°C a montante do condensador 8, • uma parte B1.2 de temperatura média 40-90°C, de preferência 70-80°C, na saída do condensador 8; • na saída do condensador, a água pode ainda ser reaquecida num permutador 9 por uma fonte de energia de baixa temperatura «gratuita», como o motor de uma unidade de cogeração, uma bomba de calor, uma caldeira de biogás, de lenha, sistemas solares térmicos, ou qualquer outra fonte de energia fatal ou de custo reduzido. Deve-se notar que em função das zonas de temperatura consideradas para esta fonte de calor gratuita, esta pode ser colocada a montante do condensador 8 ou a jusante. • Na saída do permutador 9, um permutador 10 com o fluido térmico 3, canalizado por uma derivação da conduta de alimentação do fluido 3, permite acabar de reaquecer o circuito a uma temperatura regulada para o secador de bandas 6, compreendida entre 40-90°C, de preferência entre 89-90°C. • Esta água aquecida permite em seguida aquecer por intermédio de um permutador de água-ar 11, o ar do secador de baixa temperatura 6 posto em movimento por intermédio do ventilador de circulação 12. • Uma bomba P2, em particular na saída do permutador 11, para a circulação da água no circuito Bl.

A aspiração do ventilador 12 está ligada por uma conduta ao volume interior do secador 6 e a descarga está ligada por uma conduta à entrada de gás a aquecer do permutador 11. A 13 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ saída do permutador 11 para o gás reaquecido está ligada ao volume interior do secador 6.

Um ventilador de circulação 13, cuja aspiração está ligada por uma conduta ao volume interior do secador de bandas 6 e cuja descarga está ligada por uma conduta à entrada de um condensador de água 14, permite eliminar por intermédio deste condensador 14 a humidade contida no secador 6. O ar que sai do condensador 14 é reenviado por uma conduta ao secador de bandas 6.

Uma outra fonte de calor «gratuito» equiparável a Q0, pode ser constituída por uma bomba de calor Cl sobre uma parte do circuito do ventilador de circulação 13 (ver Fig.2). A bomba de calor Cl comporta um circuito para um fluido específico que, chegando num estado líquido a um evaporador 16 vaporiza-se absorvendo calor, em seguida é comprimido num compressor 18 e retorna ao estado liquido num condensador 17 cedendo calor, depois a pressão é regulada por um manómetro 19 antes de retornar ao evaporador 16. 0 ar quente e húmido que sai do secador 6 atravessa o permutador de calor constituído pelo evaporador 16. 0 vapor de água quente é condensado por intermédio do evaporador 16 que recupera a energia de condensação. A água de condensação é evacuada por uma conduta 16a. 0 ar arrefecido que sai do evaporador 16, libertado do vapor de água condensado, é em seguida reaquecido no permutador de calor do condensador 17 e é reinjectado no secador. A energia reinjectada no condensador 17 é equiparável a QO e deve portanto ser tomada em conta no sistema global do funcionamento da instalação.

EXEMPLOS DE FUNCIONAMENTO

Caso sem energia gratuita É o caso em que nenhuma energia gratuita, ou calor fatal, é fornecida ao permutador 9. Qo é então nulo.

Tome-se o caso de lama bombeada pela bomba 1 com as características seguintes:

Secura 20%, Taxa de MV (MV = matérias voláteis): 60%, temperatura 12°C, caudal 6245 kg/h (kg/hora) 14 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ A potência energética para secar esta lama no primeiro secador 2 até uma secura de 36,5%, necessita de 2495 kW da parte do fluido térmico 3 e o caudal de vapores através do ventilador 7 é de 3195 kg/h, dos quais 290 kg/h de não condensáveis. A temperatura destes vapores é de 100°C.

Na saída do condensador 8, os não condensáveis e os vapores têm uma temperatura de 80°C, a quantidade de vapor de água remanescente é de 164 kg/h e a potência permutada é de 1575 kW.

Do lado do circuito de água Bl, na entrada B.l.l do circuito de água antes do condensador 8, a temperatura é de 72°C, na saída do condensador 8, a temperatura do circuito de água é de 86°C e o caudal de 96,8 toneladas/h.

Considera-se que não é fornecido nenhum calor pelo permutador 9. A água do circuito é em seguida aquecida a 88,74°C no permutador 10. O consumo energético é de 318kW. O calor fornecido ao circuito de ar do ventilador 12 permite fazer descer a temperatura da água do circuito de água para 72°C, por fornecimento ao circuito de ar de uma potência de 1826 kW. Esta potência calorífica permite evaporar a água no secador de bandas 6 até uma secura de 90% com uma razão de 872kWh/TEE. A potência consumida global do sistema é 2495 + 318 = 2813 kW para uma quantidade de água evaporada de 4997 kg/h. O consumo específico é portanto de 563 kWh/TEE.

Caso com energia gratuita É o caso em que uma energia gratuita, ou calor fatal, é fornecida ao permutador 9, Qo é então positivo.

Tome-se o caso de uma energia gratuita, por exemplo motor de uma unidade de cogeração, que permita fornecer 1000 15 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ kW térmicos aquecendo a água do circuito térmico a 80°C no permutador 9.

Para lamas bombeadas pela bomba 1 tendo as caracteristicas seguintes: Secura 20%, Taxa de MV: 60%, temperatura 12°C, caudal 6245 kg/h, a potência energética para secar as lamas na primeira etapa ou secador 2 para uma secura de 33% é de 2184 kW.

Os vapores aspirados pelo ventilador 7 representam 2650 kg/h dos quais 241 kg/h são não condensáveis.

Na saida do condensador 8, os vapores têm uma temperatura de 78°C, a potência fornecida ao circuito de água BI é de 1353 kW, o que representa uma elevação de temperatura de 70°C a 78°C de 145,4 toneladas/h. 0 permutador 9 do motor de uma unidade de cogeração permite aquecer a água de 78 a 83,9°C. O permutador de calor 10 do fluido 3 permite reaquecer a água de 83,9 °C a 84,1°C com um consumo de 44 kW. A potência fornecida ao ar é de 2329 kW e permite secar as lamas a 90% de secura com um consumo específico de 900 kWh/TEE. O consumo para além da energia gratuita é então de 2184 + 44 = 2228 kW para 4997 kg/h de água evaporada, ou seja um consumo específico de 445 kWh/TEE.

Outras aplicações

Este processo de secagem a baixa temperatura e a instalação correspondente podem ser aplicados a qualquer tipo de produto pastoso cuja preparação tenha permitido remover as pedras ou a quantidade demasiado elevada de fibras e fibras longas que possam prejudicar a esparguetização.

Podem-se citar como produtos de pastas de biomassa: madeira, produtos da indústria agro-alimentar, produtos da transformação animal. 16 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

REGULAÇÃO

Considera-se agora a regulação do processo e da instalação de secagem térmica de lamas provenientes designadamente de estações de tratamento de águas residuais, a fim de permitir um consumo de energia térmica muito baixo. A regulação pode ser utilizada para qualquer processo e instalação de secagem de qualquer sistema pastoso que se deseje secar e que possa, sob uma forma pré-seca, ser posto sob a forma de "esparguete".

Define-se, em primeiro lugar, de um ponto de vista teórico, as relações entre os diversos constituintes da instalação.

Considera-se, com referência à Fig.3, a reacção do condensador 8 a uma variação na temperatura do circuito de água BI e portanto a sua capacidade de arrefecimento.

Considerando 1000 kg/h de vapores debitados pelo ventilador 7, e considerando que estes vapores chegam a 100°C e são constituídos por 10% de não condensáveis, a quantidade de energia recuperada no condensador 8, expressa em % do calor utilizado no secador 2, em função da temperatura de saída dos não condensáveis apresentada em abcissa, é ilustrada na Fig.3.

Se se controlar o nível de não condensáveis nos vapores provenientes do ventilador 7, o que é um dos princípios da invenção, a quantidade de energia é muito pouco dependente do nível de temperatura de saída dos não condensáveis, desde que não ultrapasse 83°C: rendimento a 83°C: 70%; rendimento a 70°C: 74%; rendimento a 30°C: 78%.

Além disso, tratando-se de um condensador de vapores/água, os coeficientes de permuta são muito bons e a temperatura dos vapores será sobretudo dependente da temperatura de entrada do circuito de água do circuito de baixa temperatura BI. 17 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

No intervalo de temperatura pretendido, pode-se considerar que o rendimento, expresso por um coeficiente φ de 72% ( = 72% = 0,72) e bastante constante, mesmo com uma ligeira variação da temperatura de saída dos não condensáveis. A parte seguinte descreve as bases matemáticas da regulação da presente invenção

Estipula-se:

Se: secura das lamas à entrada em 1

Si: secura intermédia na saída do secador 2 e entrada do parafuso 4

Sf secura final na saída do secador de bandas 6.

Considera-se 1 tonelada (1000 kg) de matéria seca na entrada da bomba 1. A quantidade de água evaporada na primeira etapa 2 é de: (1/Se-l/Si). A quantidade de calor Q1 necessário para esta evaporação é • ligeiramente dependente da composição das lamas. [MS (matéria seca), MV (matéria volátil)] • moderadamente dependente da secura de entrada Se e da temperatura de entrada das lamas, • e fortemente dependente da quantidade de água a evaporar, ou seja do factor: (1/Se-l/Si).

Com efeito, além da evaporação, trata-se de efectuar o aquecimento das lamas.

Esta quantidade de calor Q1 pode exprimir-se com relativa precisão pela fórmula teórica: Q1(Se,Si)=k(1/Se-l/Si) (1 + 0,16 [Si(1-Se/(Si-Se)] 18 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ Q1 em kWh Se e Si em % k sendo uma constante igual a 556 com as unidades acima.

Na fórmula teórica, suprimiu-se a dependência da composição das lamas porque esta não entra senão na segunda ordem; é por esta razão que esta fórmula é válida com uma precisão de cerca de 5%. O calor necessário para a segunda secagem 6 é aproximado em: Q2(Sf,Si) = r (1/Si -1/Sf) Q2 em kWh Si e Se em %

em kWh/TEE 0 parâmetro corresponde ao calor específico de evaporação da água no segundo secador 6, em kWh/TEE dependente da tecnologia de secagem de bandas escolhida e em que foram integradas as perdas térmicas do circuito de aquecimento. Pelo facto das lamas entrarem quentes na etapa do secador de bandas 6, tem como ordem de grandeza [600 - 900] kWh/TEE. O calor recuperável no condensador 8 é definido como Q1 com = cerca de 0,72 como exposto anteriormente. O calor gratuito fornecido ao permutador 9 é igual a Q0. O calor a fornecer pelo fluido térmico 3 ao secador de bandas 6 é igual a: Q3 = Max (Q2 - Q1-Q0; 0) Q3 é o calor fornecido pelo fluido térmico 3 através do permutador 10. 19 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Ο calor global fornecido é igual a Qg = Q1 + Q3 = Q1 + Q2 - osQ1- Q0, enquanto Q2-aG1-QOO e Q1 em seguida, quando Q2 - Ql-Qâ 0. O que dá:

Qg (Si) = 556 (1- a)*(1/Se-1/Si){1+0.,16 [Si(1-Se)/(Si-$e)] *1 .,)3 +650 ((1/Si 1/Sf))-Q0 enquanto Q2 - O.G 1 -Q0>0 e Qg(Si; seguida. 556 (1/Se-l/Si) (1 + 0,16[Si(1-Se)/(Si-

Sei em O objectivo é diminuir esta função de Si. Esta funç ao é uma função descrescente em função de Si enquanto Q2-depois uma função crescente de Si. Q1-Q0>0, O minimo desta função é obtido quando a totalidade do calor da primeira etapa de secagem 2 é necessário e suficiente para aquecer a segunda etapa 6. Portanto, quando Q2 = Q1+Q0

Esta função resolve-se segundo a equação [A] abaixo.

[A]

Si = (β + «* 556) l Kp -89*<x)/Sf + 645’rx/Se +Qo)

Portanto conhecendo: que depende da tecnologia empregue para o secador de bandas 6 qué bastante estável em função da temperatura de saída dos não condensáveis,

Sf que é fixado

Qo que é fixado e que é levado à quantidade de energia que pode ser fornecida por 1 tonelada de MS (matéria seca).

Pode-se determinar a secura óptima Si em função de Se. 20 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Aplicação numérica = 850 = 0, 72 Sf = 90%

Qo=0

Se = 20%

Si =39,1%

Descrição da regulação

De acordo com a invenção, a minimização do calor consumido no âmbito da secagem em duas etapas é obtida por recuperação de energia a alta temperatura da primeira etapa 2, por condensação do vapor para aquecer um circuito térmico BI de baixa temperatura (40-90°C) que permite ele próprio aquecer a segunda etapa 6 de secagem. A presente invenção permite por outro lado ter em conta na regulação a utilização de um permutador 9 que recupera o calor fatal de uma outra instalação (calor Q0).

De acordo com a invenção, a secura intermédia Si é controlada em função da secura de entrada medida Se e da secura de saída Sf pretendida. O principio da regulação da instalação e do processo é portanto fixar, a partir da medição da secura Se e dos parâmetros de regulação Sf, , e Qo, um valor de referência de saída Si. A medição da secura intermédia Si é assegurada por um sensor de secura 20 à saída do secador 2.

Outras regulações completam e tornam mais segura a primeira regulação, assegurada por um primeiro circuito de regulação. A instalação comporta vários circuitos de regulação: O primeiro circuito de regulação tem por objectivo a regulação directa da secura intermédia à saída do secador 2.

Está previsto um meio de cálculo e de comando, em particular um autómato M, para fixar um valor de referência de secura intermédia Sic, designadamente a partir da fórmula [A] dada 21 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ anteriormente e de valores de parâmetros e grandezas fornecidos por diferentes sensores de medição. O autómato M comanda uma válvula de controlo 21 do caudal, da pressão ou da temperatura do fluido térmico em função da secura intermédia Si medida pelo sensor 20. Este controlo pode ser efectuado pela regulação do caudal do fluido térmico no caso de um fluido térmico vapor, ou pela regulação do caudal ou da temperatura (por mistura com o retorno frio do fluido térmico) no caso de um fluido térmico do tipo fluido orgânico.

Se o tempo de reacção da instalação for longo, os controlos serão feitos em adequação com estes tempos de reacção.

Um segundo circuito de regulação controla a quantidade de calor Q3 fornecida no permutador 10 pelo fluido térmico 3 à água do circuito BI de baixa temperatura. Com efeito, foi indicado anteriormente que a energética óptima era encontrada quando esta quantidade de calor Q3 era igual a 0, sem ser negativa.

Este permutador 10 tem como referência de controlo a temperatura do circuito de água à saída do permutador 10, medida por um sensor 22 que transmite a informação para o autómato M. Esta temperatura permite o funcionamento eficaz do permutador 11 e permite assegurar que a necessidade energética do secador de baixa temperatura 6 está bem equilibrada.

Se a temperatura à saída do permutador 10 não for atingida, significa que o calor tomado no permutador 11 é superior ao fornecido pelo condensador 8, e portanto a situação já não se encontra no óptimo energético.

Mede-se então o calor Q3 fornecido ao permutador 10 por intermédio de uma medição de temperatura e de caudal na entrada do permutador 10 por um conjunto 23e de sensores e na saída do permutador 10 por um conjunto de sensores 23s, estando os sensores ligados ao autómato M para transmitir os valores medidos. 22 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Se ο calor Q3 for superior a um ponto de referência (ou ponto de ajuste) determinado próximo de 0, mas não nulo para ter sempre um intervalo de regulação, o segundo circuito modifica a saída do primeiro circuito de regulação apresentado anteriormente, de forma que o calor fornecido ao primeiro secador 2 se ajuste.

Pode-se também efectuar a regulação da instalação e do sistema unicamente a partir do segundo circuito fazendo um curto-circuito (by-pass) ao primeiro circuito de regulação.

Finalmente, para estar nas condições óptimas para o permutador 11 e o condensador 8, um terceiro circuito de regulação utiliza como referência a temperatura do circuito de água à saída do permutador 11, medida por um sensor 24 ligado ao autómato para transmitir o valor de temperatura. Esta temperatura é definida em relação a um ponto de referência (ponto de ajuste) dependente do caudal de lamas medido ao nível da bomba 1.

Se a temperatura saída do permutador 11 aumentar, a bomba P2 de circulação do circuito diminui o seu caudal num intervalo aceitável pelos aparelhos.

Este circuito triplo é auto-estável. Com efeito, se as necessidades de calor no secador de bandas diminuem, a temperatura à saída do permutador 11 aumenta, a bomba de circulação diminui o caudal nos permutadores 11 e 8. No condensador 8, a diferença de temperatura T, entre a éda e a entrada do condensador 8 para a água do circuito Bl, vai aumentar e a temperatura de entrada do permutador 10 vai aumentar, o que vai diminuir a quantidade de calor que é necessário fornecer ao permutador 10 pelo fluido térmico 3, abaixo do valor de referência.

Neste caso, o autómato M vai enviar uma instrução à válvula 21 do secador 2 para diminuir o caudal de fluido térmico 3 no secador 2, o que vai diminuir a secura intermédia Si e aumentar a necessidade de evaporação sobre o secador de bandas, o que vai reequilibrar a temperatura à saída do permutador 11. 23 ΕΡ 2 504 649/ΡΤ

Além disso, um ponto de referência (ponto de ajuste) de temperatura à sarda do permutador 11 será definido em relação ao caudal da bomba 1, fornecido ao autómato M por um sensor 25.

Com efeito, se a bomba 1 diminui o seu caudal, sendo a secura intermediária Si regulada pelo primeiro circuito de regulação, a quantidade absoluta de calor no segundo secador 6 fica diminuida. A permuta no permutador 11 será portanto diminuída também e se a temperatura de entrada for fixada, a temperatura de saída vai aumentar. É portanto necessário diminuir o valor de referência de caudal para que o arrefecimento seja mais importante.

Fica bem entendido que a presente invenção não está limitada aos exemplos de concretização descritos e/ou representados, mas que engloba todas as variantes que entram no âmbito das reivindicações anexas.

Lisboa, 2014-06-23

Claims

ΕΡ 2 504 649/ΡΤ 1/6 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de secagem de matérias pastosas, em particular de lamas de estações de tratamento de águas residuais, que compreende duas etapas de secagem, a saber: uma primeira etapa de secagem (2) de tipo indirecto alimentada por fluido quente, que recebe lamas com uma secura Se à entrada e fornece à saida lamas com uma secura intermédia Si, e vapor de água que é dirigido para um condensador (8) para ai reaquecer um circuito de fluido de aquecimento, designadamente de água; - uma etapa (5) de formação das lamas em cordões à saida da primeira etapa, - e a segunda etapa de secagem (6) dos cordões de lamas, aquecidos de maneira directa com auxilio de um gás, ele próprio aquecido pelo circuito de fluido de aquecimento, esta segunda etapa (6) fornecendo à saida um produto com uma secura final Sf, caracterizado por a secura intermédia Si ser controlada em função da secura de entrada medida Se e da secura de saída Sf pretendida, para um consumo mínimo da energia global utilizada para a secagem, sendo o caudal, a pressão e/ou a temperatura do fluido quente (3) que alimenta a primeira etapa de secagem (2) ajustados em conformidade.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se determinar a secura intermédia Si, para um consumo mínimo da energia global, a partir da medição da secura de entrada Se, da secura de saída Sf pretendida e de parâmetros que compreendem um coeficiente espéÉico do condensador (8), um coeficiente espéÉico da segunda etapa de secagem (6), e se aplicável, um calor gratuito fornecido Qo-
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a secura intermédia Si ser controlada de tal forma que o calor recuperado da primeira etapa através do ΕΡ 2 504 649/ΡΤ 2/6 condensador (8) seja necessário e suficiente para a secagem da segunda etapa (6).
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por se utilizar um circuito (Bl) de calor de baixa temperatura, em particular compreendida entre 30°C e 90°C, para o aquecimento da segunda etapa (6), comportando um liquido, em particular água, posto em circulação num circuito fechado, que atravessa o condensador (8) para ai recuperar o calor do vapor condensado e um permutador de calor líquido/gás (11) para aquecer o gás da segunda etapa de secagem (6).
5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o circuito de calor de baixa temperatura (Bl) comportar um permutador (10) entre o liquido do circuito (Bl) e uma derivação de fluido térmico (3) da primeira etapa de secagem (2).
6. Processo de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado por o circuito de calor de baixa temperatura (Bl) comportar um permutador de calor (9) para aquecer o liquido do circuito por recuperação de energia, de baixa temperatura, fatal ou de custo reduzido.
7. Instalação para a realização de um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende: - um primeiro secador (2) alimentado por fluido quente, que recebe lamas com uma secura Se à entrada, e fornece à saida lamas com uma secura intermédia Si, e vapor de água que é dirigido para um condensador (8) para ai reaquecer um fluido de aquecimento para um segundo secador (6); - um dispositivo (5) de formação das lamas em cordões à saida do primeiro secador (2), - e o segundo secador (6) dos cordões de lama com auxilio de um gás, designadamente ar, aquecido pelo menos em parte, pelo calor extraído do condensador (8), por intermédio do fluido ΕΡ 2 504 649/ΡΤ 3/6 de aquecimento, este segundo secador fornecendo à saída um produto com uma secura final Sf, caracterizada por comportar meios (M, 21) para controlar a secura intermédia Si em função da secura de entrada medida Se e da secura de saída Sf pretendida, para um consumo mínimo da energia global utilizada para a secagem, sendo o caudal, a pressão e/ou a temperatura do fluido ajustados em conformidade.
8. Instalação de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por comportar um circuito (Bl) de calor de baixa temperatura, em particular compreendida entre 30°C e 90°C, para o aquecimento da segunda etapa (6), comportando um líquido, em particular água, posto em circulação num circuito fechado, que atravessa o condensador (8) para aí recuperar o calor do vapor condensado e um permutador de calor líquido/gás (11) para aquecer o gás da segunda etapa de secagem (6).
9. Instalação de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizada por comportar um ventilador (7) de velocidade regulável, cuja aspiração está ligada à saída de vapor e gás do primeiro secador (2) e cuja descarga está ligada ao condensador (8), sendo a velocidade do ventilador comandada para manter uma depressão fraca (de alguns mbar) e controlada no primeiro secador (2).
10. Instalação de acordo com uma das reivindicações 7 a 9, caracterizada por a transferência de lamas entre a saída do primeiro secador (2) e o dispositivo (5) de formação à entrada do segundo secador (6) ser assegurada por um parafuso sem alma (4) de velocidade regulada, que permite assegurar a estanquidade ao gás à saída do primeiro secador (2).
11. Instalação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o circuito de baixa temperatura (Bl) de circulação de líquido compreender: • uma parte (Bl.l) com uma temperatura baixa compreendida entre 30-80°C, de preferência entre 60-70°C, a montante do condensador 8, ΕΡ 2 504 649/ΡΤ 4/6 • uma parte (Β1.2) com uma temperatura média compreendida entre 40-90°C, de preferência entre 70-80°C, à saída do condensador (8); • um permutador de calor (9) entre o líquido do circuito (Bl) e uma fonte de energia gratuita, a jusante ou a montante do condensador (8), para reaquecer o líquido do circuito (Bl) por uma fonte de energia de baixa temperatura, gratuita ou de custo reduzido, em particular o motor de uma unidade de cogeração, uma bomba de calor, uma caldeira de biogás ou lenha, sistemas solares térmicos ou outra fonte de energia fatal, • à saída do permutador (9) entre o líquido do circuito (Bl) e a fonte de energia gratuita, um permutador (10) com uma derivação do fluido térmico (3), que permite acabar de reaquecer o líquido do circuito (Bl) a uma temperatura regulada, para o segundo secador (6), compreendida entre 40-90°C, de preferência entre 80-90°C, • um permutador de calor (11) líquido gás, em particular água-ar, que permite aquecer, pelo líquido do circuito (Bl), o gás do segundo secador (6), posto em movimento em particular por um ventilador de circulação 12, • uma bomba (P2) para a circulação de água no circuito (Bl).
12. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizada por comportar uma regulação que compreende um primeiro circuito de regulação para assegurar uma regulação directa da secura intermédia Si à saída do primeiro secador (2), com um meio de cálculo e de comando, em particular um autómato (M) , que fixa um valor de referência de secura intermédia Sic a partir de parâmetros de funcionamento.
13. Instalação de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por a regulação ser concebida para determinar um valor de referência de secura intermédia Sic (%) de acordo com a fórmula: ΕΡ 2 504 649/ΡΤ 5/6 Sic = (|5 + α * 556) / [(β -89*a)/Sf + 645*«/Se +Qo) na qual: Se é a secura de entrada medida, (%) Sf é a secura final pré-determinada, (%) é um coeficiente especifico da segunda etapa de secagem (6), kWh/TEE é um coeficiente especifico do condensador (8), e Qo é um calor gratuito eventualmente fornecido kWh/TMS.
14. Instalaçao de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizada por o autómato (M) controlar uma válvula (21) de controlo do caudal, da pressão ou da temperatura do fluido térmico (3) em função da secura intermédia medida, este controlo sendo efectuado pela regulação da pressão do fluido térmico, no caso dum fluido térmico vapor ou pela regulação do caudal ou da temperatura (por mistura com um retorno frio do fluido térmico), no caso dum fluido térmico do tipo fluido orgânico.
15. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizada por comportar uma regulação que compreende um circuito de regulação que controla a quantidade de calor (Q3) fornecido no permutador (10) entre o fluido térmico e o liquido do circuito (Bl) de temperatura baixa.
16. Instalação de acordo com o conjunto da reivindicação 15 e de qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizada por o circuito de regulação que controla a quantidade de calor fornecido no permutador (10) entre o fluido térmico e o liquido do circuito (Bl) de temperatura baixa constituir um segundo circuito de regulação, a regulação da instalação podendo ser assegurada unicamente a partir deste segundo circuito, fazendo um curto-circuito (ou by-pass) ao primeiro circuito de regulação. ΕΡ 2 504 649/ΡΤ 6/6
17. Instalação de acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizada por o permutador de calor (10) entre o fluido térmico e o líquido do circuito (Bl) de temperatura baixa ter por referência de controlo a temperatura do líquido do circuito (Bl) à saída do permutador (10), esta temperatura permitindo o funcionamento eficaz do permutador (11) entre o fluido térmico e o gás do segundo secador (6), e permitindo assegurar que as necessidades energéticas do segundo secador (6) estão equilibradas.
18. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 17, caracterizada por comportar um circuito de regulação de acordo com o qual se mede o calor (Q3) fornecido ao permutador (10) por intermédio de uma medição de temperatura e de caudal à entrada e à saída do permutador (10) e, se o calor (Q3) for superior a um valor de referência determinado, próximo de zero mas não nulo para dispor sempre de um intervalo de regulação, a regulação modifica o sinal de saída do primeiro circuito de regulação de modo que o calor fornecido ao primeiro secador (2) seja ajustado.
19. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 18, caracterizada por a regulação, a fim de estar nas condições óptimas para o permutador (11) e para o condensador (8), comportar um terceiro circuito de regulação que utiliza como referência a temperatura do circuito de água à saída do permutador (11).
20. Instalação de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por o terceiro circuito de regulação ser concebido para utilizar uma temperatura de referência que é definida em relação a um valor de referência dependente do caudal de lamas medido ao nível da bomba (1) de alimentação de lamas e quando a temperatura à saída do permutador (11) entre o líquido do circuito (Bl) de temperatura baixa e o gás do segundo secador (6) aumenta, a bomba de circulação (P2) do circuito (Bl) diminui o seu caudal num intervalo aceitável para os componentes. Lisboa, 2014-06-23