PT94830A

PT94830A - Sistema de geracao de vapor de leito fluidizado e um metodo de operacao com um permutador de calor externo

Info

Publication number: PT94830A
Application number: PT94830A
Authority: PT
Inventors: Iqbal Fazaleabbas Abdulally
Original assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Priority date: 1989-07-28
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1992-03-31
Also published as: EP0410773B1; EP0410773A3; EP0410773A2; ES2050377T3; US4947804A; JPH0395303A; CN1050257A; CA1318196C

Description

o

TITULAR: FOSTER WHEELER ENERGY CORPORATION EPÍGRAFE: "SISTEMA DE GERAÇÃO DE VAPOR DE LEITO FLUIDIZADO E UM MÉTODO DE OPERAÇÃO COM UM PERMUTADOR DE CALOR EXTERNO"

MEMÓRIA DESCRITIVA

Antecedentes da Invenção

Esta invenção refere-se a um sistema de geração de vapor de leito fluidizado e a um método de o operar, em particular, a um sistema e a um método em que existe, adjacente à zona da fornalha do sistema, um permutador de calor externo.

Os sistemas de geração de vapor de leito fluidizado são bem conhecidos. Nestes arranjos faz-se passar ar através de um leito de material particulado - incluindo um combustível fóssil como o carvão e um adsorvente do enxofre gerado pela combustão do carvão - para fluidizar o leito e promover a combustão do combustível a uma temperatura 1

s relaiívamente baixa. Faz-se passar água de forma a permutar calor com o leito fluidizado para se gerar vapor. O sistema de combustão inclui um separador que separa o material sólido particulado em suspensão dos gases do leito fluidizado na zona da fornalha e os recicla para o leito novamente. Daqui resulta uma combinação muito interessante de um processo com grande libertação de calor, elevada retenção de enxofre, baixas emissSes de óxidos de azoto para a atmosfera e flexibilidade em relação ao combustível utilizado. O leito fluidizado mais comum utilizado na zona da fornalha destes sistemas é o chamado leito fluidizado ’borbulhante* no qual o leito de material particulado tem uma densidade relativamente elevada e uma superfície livre bem definida, ou discreta. Outro tipo de leitos fluidizados incluem o leito fluidizado ‘circulante’ . Nestes, a densidade do leito fluidizado é bastante inferior à de um leito fluidizado ‘borbulhante* típico, a velocidade do ar é igual ou superior à de um leito ’borbulhante* , e os gases de combustão que circulam através do leito suspendem uma quantidade substancial do fino material particulado ao ponto daqueles se encontrarem substancialmente saturados nestes.

Os leitos fluidizados 'circulantes* são também caracterizados por um reciclo relativamente elevado de sólidos o que os torna insensíveis aos padrSes de libertação 2 de calor do combustível, minimizando-se as variações de temperatura e estabilizando-se desta forma as emissões a um nível baixo. O elevado reciclo de sólidos aumenta a eficiência do dispositivo mecânico utilizado para separar o gás dos sólidos que são depois reciclados, e o aumento do tempo de residência do combustível e do material adsorvente de enxofre no reactor, diminuem o consumo de ambos.

Frequentemente, em sistemas de combustão de leito fluidizado 'circulante’ existe um permutador de calor externo, localizado na corrente primária quente de sólidos do ciclone com o objectivo de remover o calor dos sólidos reciclados de forma a obter um taxa de transferência de calor relativamente elevada.

No entanto, neste tipo de arranjos, existe uma exigência de projecto de que todas as cargas tenham uma taxa de reciclo de sólidos suficientemente elevada, a temperaturas elevadas, de modo a satisfazerem-se as capacidades de funcionamento do super-aquecedor e/ou da caldeira, na permutada exterior de cal or, que é sempre impossível de ati ngi r. 3 a

Sumário da Invenção O objecto da presente invenção é, portanto, um sistema de combustão de leito fluidizado e um método que não possua a desvantagem mencionada atrás. É também objecto desta invenção um sistema e um método do tipo acima que satisfaçam as capacidades de funcionamento do super-aquecedor e/ou da caldeira. Ê também objecto desta invenção um sistema e um método do tipo acima no qual um permutador externo do calor do leito fluidizado exista colocado adjacente à zona da fornalha, que receba o material particulado quente do leito fluidizado e extraia o calor do material antes deste ser devolvido ao leito. Ê também objecto da presente invenção um sistema e um método do tipo acima nos quais a superfície permutadora de calor do permutador de calor externo esteja dimensionada de acordo com as capacidades de funcionamento. Ê também objecto desta invenção um sistema e um método do tipo acima nos quais a capacidade do permutador de calor externo é variável com a velocidade de fluidização superficial. 4

Para alcançar estes e outros fins, o sistema da presente invenção inclui um permutador de calor do leito fluidizado localizado adjacente à zona da fornalha do sistema. Os gases de combustão e o material particulado arrastado do leito fluidizado na zona da fornalha da secção de geração de vapor, são separados e os gases de combustão passam à secção de recuperação de calor enquanto que o material particulado separado é reciclado de volta para a secção fornalha. O permutador de calor externo recebe os sólidos do leito da fornalha, os quais encontram-se fluidizados, existindo no permutador externo superfícies de permuta de calor para fazer a extracção do calor das partículas fluidizadas. Os sólidos no permutador de calor externo são em seguida reconduzidos ao leito fluidizado na zona da fornalha.

Breve Descrição dos Desenhos das Figuras A descrição sucinta feita acima, bem como outros fins, características e vantagens da presente invenção, é apresentada de forma mais detalhada para o arranjo preferido, mas nem por isso menos ilustrativo, da presente invenção, na descrição que se segue e na figura anexa que representa um esquema do sistema da presente invenção. 5

Descrição do Arranjo Preferido

Quando referido especificamente à Fig.1, o número 10 diz respeito, de uma forma geral, ao sistema de geração de vapor de leito fluidizado da presente invenção, que inclui uma secção fornalha 12, uma secção de separação 14, um zona de recuperação de calor 16. A zona da fornalha 12 é constituída por um invólucro vertical 18 e uma caixa 20 disposta na parte inferior do invólucro para receber gás» como ar, de uma fonte externa. Um distribuidor de ar, ou grelha, 22 exi stente na interface da parte inferior do invólucro 18 e a cai xa de ar 20, permite a passagem" de ar pressurizado da cai xa em senti do ascendente através do dueto 18.

Assente sobre a grelha 22 encontra-se o material particulado, que se distribui por toda a altura do invólucro 18 e tem uma densidade que diminui com a altura. Existem nas paredes do invólucro 18 uma ou maís entradas, como a entrada 24, para a introdução de material particulado no leito. Uma conduta de ar 26 é ligada entre a fonte de ar pressurizado Cnão mostrada} e a caixa 20 para introdução do ar na caixa sob controlo de um prato metálico Cregisto} 26a localizado na caixa que regula a admissão de ar. O ar da caixa 20 fluidiza o material particulado no invólucro 18 e, de acordo com o arranjo preferido, a velocidade do ar é tal que é suficiente 6 para criar um leito fluidizado 'circulante’, conforme descrito acima.

Um tubo 28 está ligado a uma abertura no distribuidor de ar 22 e/ou às paredes do invólucro 18 e serve para descarga do material particulado gasto do invólucro. 0 material particulado pode incluir carvão e partículas relativamente finas de um material adsorvente, por exemplo um mineral calcáreo, para absorver o enxofre gerado durante a combustão do carvão, de uma forma conhecida.

Pressupóe-se que as paredes do invólucro 18 incluem uma série de tubos de água dispostos de forma vertical e que existe uma rede de distribuição Cnão mostrada} para o escoamento de água através dos tubos para se converter a água em vapor. Uma vez que a construcção das paredes do invólucro 18 é convencional, não se descrevem as paredes em mais detalhe. A secção de separação 14 inclui um ou mais ciclones-separadores 30 colocados adjacentes ao invólucro 10 e a ele ligados pelos duetos 32 que saem de aberturas existentes na parte superior da parede posterior do invólucro 18 e vão ter a uma entrada na parte superior do separador 30. O separador 30 recebe os gases de combustão e o material particulado arrastado em suspensão do leito fluidizado no invólucro 18 e 7 ij

Cr opera da forma convencional para separar o material particulado dos gases de combustão pelas forças centrífugas criadas no separador. Os gases de combustão separados circulam em sentido ascendente no separador 30 e passam a uma zona de recuperação de calor 16. A zona de recuperação de calor 16 inclui um invólucro 34 albergando um súper-aquecedor 36, um re-aquecedor 38 e um economizador 40, sendo todos formados por um série de tubos permutadores de calor 42 extendendo-se no percurso de passagem dos gases que atravessam o invólucro 34. Pressup6e-se que os tubos 42 que formam o super-aquecedor 36, o re-aquecedor 38 e o economizador 40, são todos formados por uma cabeça de entrada 42a e uma cabeça de saída 42b, as quais, por sua vez, estão ligadas a um rede de distribuição que se extende desde os tubos que formam as paredes da zona da fornalha 12 para receber água aquecida ou vapor para aquecimento posterior. Depois de passar pelo super-aquecedor 36, o re-aquecedor 38, e o economizador 40, os gases saem do invólucro 34 através da saída 44 existente na parte detrás do mesmo.

Os sólidos separados, do separador 30 passam a um colector 30a ligado à extremidade inferior do separador e em seguida passam para a manga 46 ligada à saída do colector. A manga 46 extende-se até à parede posterior do invólucro 18 8

I

.sfggaaa. para descarregar os sólidos separados novamente no leito fluidizado. A manga 46 tem uma parte em U, 46a, para evitar o escoamento em sentido inverso de sólidos e/ou gases directamente da zona fornalha 12 para o separador 30.

Colocado adjacente à parede frontal do invólucro 18 exite um permutador de calor externo 50 que é composto por um vaso ou dueto 52 contendo no seu interior um feixe de tubos 54 para permuta de calor. O vaso 52 é formado quer por paredes formadas por tubos de água, ou por um invólucro metálico coberto por refractário. Os tubos 54 extendem-se entre uma cabeça de entrada 54a e uma cabeça de saída 54b as quais, por sua vez, estão ligadas à rede de distribuição de fluido supra-mencionada, da forma descrita.

Uma conduta de entrada 56 ext-ende-se desde a parede do invólucro 18 até à parte inferior do dueto 52 para fazer a transferência de partículas sólidas do leito fluidizado no invólucro 18 para o dueto 52. Uma conduta de saída 58 extende-se desde a parte superior do dueto 52 até qualquer uma das paredes do invólucro 18 para devolver as partículas sólidas ao invólucro 18.

Na parte inferior do dueto 52, disposto horizontalmente, existe um distribuidor de ar 60 definindo uma caixa de ar 62. Duas condutas 64 e 66 recebem gás, por Θ

exemplo ar, de uma fonte externa e comunicam com a caixa de ar 62 e a conduta de entrada 56, respectivamente. Esta fonte externa podem ser gases de combustão de algures a jusante da fornalha.

Nos duetos 64 e 66 encontram-se colocados os registos 68a e 68b, respecti vamente, para controlarem o fluxo de ar para a caixa de ar 62 e através do tubo de entrada 56, respectivamente. Um tubo 70, ligado ao distribuidor 60, serve para esgotar restos de materiais no dueto 52.

Assim, pode alimentar-se continuamente material particulado quente ao dueto 52 através da conduta 56 e ser fl ui dizado pelo ar da caixa 62 que passa através do distribuidor 60. Faz-se passar água através dos tubos 54 para remover calor do material particulado e o ar da fluidização arrasta partículas relativamente finas e transporta-as em sentido ascendente através do dueto 52 antes de sair do dueto e passa, através da conduta de salda 58, de novo ao invólucro 18 para ser misturado com as partículas do invól ucro.

Em funcionamento, o material particulado combustível da entrada 24 é introduzido no invólucro 18, podendo também introduzir-se, se fôr necessário, um material adsorvente. Faz-se passar ar pressurizado de uma fonte externa para e 10 através da conduta 27, a caixa de ar 20* através do distribuidor de ar 22 e para o material parti culado no invólucro 18 para fluidizar o material.

Um queimador Cnão mostrado}, ou semelhante, colocado no dueto que leva ao invólucro 18, é aceso para produzir a ignição do material particulado combustível. Quando a temperatura do material atinge um nível suficientemente elevado, descrarrega-se mais combustível da entrada 24 no invólucro 18. O material no invólucro 18 sofre auto-combustão pelo calor na zona da fornalha 12 e a' mistura de ar e produtos gasosos da combsutão Cdaqui por diante referidos por ‘gases de combustão*} passa em sentido ascendente através do invólucro 18 e arrasta, ou suspende, o material particulado no invólucro. A velocidade do ar introduzido na caixa 20, via a conduta 26 passa pelo distribuidor de ar 22 e para o inter-ior do invólucro 18, controlada pela posição do registo 26a de acordo com o tamanho do material particulado no invólucro 18, de modo a formar um leito fluidizado ‘circulante’, i.e. o material particulado é fluidizado até ao ponto em que se obtém uma suspensão ou um arrastamento do material particulado no leito substanciais. Assim, os gases de combustão que passam à parte superior do invólucro 18 estão substancialmente saturados com o material particulado. 11

Os gases de combustão saturados passam à parte superior do invólucro 18 e saem através do dueto 32 e passam para o separador ciclone 30. Ho separador 30, o material particulado sólido é separado dos gases de combustão e passa pelo colector 30 sendo conduzido pela manga 46 de volta ao invólucro 18 onde é misturado com o material particulado na zona da fornalha 12. Os gases de combustão limpos do separador 30 passam em sentido ascendente e saem para a área de recuperação de calor 16 para passagem pelo invólucro 34 e através do super-aquecedor 36, o re-aquecedor 38 e economizador 40, antes de saírem pela saída 44 para um equipamento externo. O registo de controlo 68b é aberto como se desejar para introduzir ar na conduta 56 para promover o escoamento de material particulado do invólucro 18 para o invólucro 52. Introduz-se também ar, sob controlo do registo 68a, na caixa 62, o qual passa em sentido ascendente através do distribuidor de ar 60 e fluidíza o material particulado no dueto 52. A velocidade do ar e portanto a intensidade do fluxo de material para o dueto 52 e o grau de fluidização e a altura resultante do material no dueto são controlados, respectivamente, através da posição dos registos 68a e 68b. 0 material particulado acumula-se no dueto 52 até um nível pelo menos suficiente para cobrir o feixe de tubos 54, 12 SS5S* e uma parte do material particulado é arrastado e suspendido pelo ar de fluidização e sai, via a conduta S8 e é introduzido novamente no invólucro 18. i

Faz-se passar água através dos tubos que formam as paredes do invólucro 18, dos tubos de permuta de calor 42 que formam o super-aquecedor 36, o re-aquecedor 38 e o economizador 40, e os tubos de permuta de calor 54 no permutador de calor externo 50 para extrair calor do material particulado no invólucro 18 e o permutador de calor 50 e dos

I gases de combustão na área de recuperação de calor 16, de modo a progressivamente se converter água em vapor. Á quantidade de calor adicionada à água ou vapor a passar através dos tubos 54 do permutador de calor 50 pode ser controlada controlando a fracção do fluxo total de material que passa através do dueto 52 o qual, por sua vez, pode ser controlado variando a velocidade de fluidização do ar pelo regsito 64a da conduta de entrada de ar 64. As cabeças 54a e 54b dos tubos permutadores de calor 54, podem ser ligadas ao circuito de escoamento de forma a complementar o calor adicionado à água ou vapor na área de recuperação de calor. Por exemplo, a saída do super-aquecedor 38 poderia estar ligado à entrada da cabeça 54a dos tubos permutadores de calor 54, de modo a que as necessidades no super-aquecedor fossem satisfeitas. 13

Claims

4 > Uma série de outras modificações, alterações e substituições estão i mplícadas na descrição anterior e em certas condições. até mes mo algumas características da invenção ainda que empregues sem a correspondente utilização das outras características. Ê portanto apropriado que as rei vindicaçSes anexas sejam construídas de forma lata e de uma maneira consistente com o âmbito da invenção. J R E I V I ND I C A Ç 0 E S 1- Um sistema para geração de vapor numa fornalha de leito fluidizado, caracterizado pelo facto de incluir uma secção fornalha, um leito fluidizado de material particulado, incluindo combustível, formado na referida secção fornalha, uma secção de separação para receber uma mistura de material particulado arrastado, em suspensão, e os gases da combustão do dito combustível do leito fluidizado, na referida secção fornalha, e separar o dito material particulado, arrastado dos ditos gases de combustão, uma secção de recuperação de calor para receber os referidos gases de combustão separados, os meios para passar o dito material particulado separado, da referida secção de separação, de volta para o leito fluidizado na dita secção fornalha, um permutador de calor externo, colocado adjacente ao envólucro da referida secção fornalha, um primeiro conjunto de tubos a ligar a dita secção fornalha ao dito permutador de calor 14 4 / externo, para passar o material particulado, da referida secção fornalha para o referido permutador de calor externo, um segundo conjunto de tubos a ligar o dito permutador de calor externo à dita secção fornalha, para permitir o escoamento do referido material, do dito permutador de calor externo, de volta para a secção fornalha referida, e os meios para passar água £?<=> forma a permutar o calor do material particulado, na dita secção fornalha, e no referido permutador de calor externo, e dos gases de combustão separados, na dita secção de recuperação de calor, para adicionar calor à água referida, convertendo-a em vapor.
2- Um sistema para geração de vapor, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender, ainda, uma rede para a circulação de um fluido, a ligar o referido permutador de calor externo à dita secção de recuperação de calor.
3- Um sistema para geração de vapor, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de os referidos meios de passagem de água compreenderem uma série de tubos de água, constituindo, pelo menos, uma parte das paredes da dita J secção fornalha.
4- Um sistema para geração de vapor, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o permutador de calor externo referido'compreender um envólucro, e os meios para a distribuição de gás pelo material particulado referido, no dito envólucro, para fluidizar o dito material particulado.
5- Um sistema para geração de vapor, conforme reivindicado na reivindicação 4, caracterizado pelo facto de os referidos meios de passagem de água compreenderem uma série de tubos 15 I r dispostos no referido envólucro.
6- Um sistema para geração de vapor numa fornalhà de leito fluidizado e método de operação com um permutador de calor externo, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o permutador de calor externo compreender, ainda, meios para a introdução de gás no primeiro conjunto de tubos, para promover o escoamento do material particulado, da referida secção fornalha, para o dito permutador de calor externo.
7- Método de operação de um sistema para geração de vapor, caracterizado pelo facto de compreender os passos de fluidização de um leito de material particulado, incluindo combustível, na secção fornalha, os gases da combustão do dito combustível do leito fluidizado com o referido material particulado em suspensão, de separação do referido material particulado arrastado, dos ditos gases de combustão, de condução dos referidos gases de combustão, separados pela secção de recuperação de calor, de recondução do material particulado separado referido, de volta para o leito fluidizado na dita secção fornalha, de ligação da referida secção fornalha a um permutador de calor externo, para passar o material particulado da dita secção fornalha, para o referido permutador de calor externo, de ligação do dito permutador de calor externo à referida secção fornalha, para permitir que o dito material particulado escoe do dito permutador de calor externo, de volta para a secção fornalha referida, de passagem de água de forma a permutar calor com o material particulado, na dita secção fornalha e no dito permutador de calor externo, e com os gases de combustão separados na referida secção de recuperação de calor, 16 I de modo a adicionar calor à água e a convertê-la em vapor.
8- Um método, conforme reivindicado na reivindicação 7, caracterizado pelo facto de compreender, ainda, o passo de ligação do referido permutador de calor externo à referida secção de recuperação de calor.
9- Um método, conforme reivindicado na reivindicação 7, caracterizado pelo facto de o passo de passagem de água incluir a passagem de água através de, pelo menos, uma parte das paredes da referida secção fornalha.
10- Um método, conforme reivindicado na reivindicação 7, caracterizado pelo facto de compreender os passos de distribuição de gás pelo material particulado, no referido permutador de calor externo.
11- Um método, conforme reivindicado na reivindicação 7, caracterizado pelo facto de compreender, ainda, o passo de introdução de gás na corrente de material particulado, a escoar da referida secção fornalha para o dito permutador de calor externo, para promover o referido escoamento. Lisboa , 26 de Julho de 1990 17 i Lisboa, 26 de 3ulho de J990 j f^fr-í5 fi,

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