WO2014043776A1 - Processo para utilização do calor residual eliminado nas chaminés de caldeiras provenientes da queima do bagaço da cana-de-açucar e aperfeiçoamento na planta de concentração - Google Patents
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- B01D1/0058—Use of waste energy from other processes or sources, e.g. combustion gas
Definitions
- the process claimed herein is provided with a constructive improvement in the preheater and first effect tubing which allows the washing and de-superheating of the hot gases eliminated in the chimneys of the boilers fed by the sugarcane bagasse, with unprecedented application in the industrial sector.
- the inventors developed this process through studies carried out in a pilot plant and with the previous experience of the factories of the sugar and alcohol industry and citrus. In the citrus sector they use different residual energy evaporators to concentrate the "liquor" from the processing of the citrus pulp. Such evaporators utilize the hot gas resulting from the drying of the citrus pulp.
- the vapor used by the second effect evaporator is taken as the heat source of the third effect evaporator, and the vapor produced by the third effect evaporator enters directly into a distillation tower trough, the alcohol being separated in the distillation tower .
- the initial liquid of the alcohol residues is concentrated in the third-effect evaporator, and vapor energy can be used repeatedly by coupling.
- the alcohol residue liquid is concentrated when the distillation process is finished, thus, the vapor concentration is reduced.
- the process and improvement claimed herein brings an economically and ecologically viable and easily couplable solution to the ethanol, ethanol, sugar and ethanol production plants , concentrated juice or organic fertilizer.
- the concentration process is coupled in the chimneys through a gas collector, which captures the hot gases eliminated in the chimneys of the boilers and uses it as thermal energy source in the evaporators of turbulent mist type.
- This process and equipment are used to evaporate and concentrate the juice, juice, vinasse, waste water and effluent into evaporator tubings which are in the interior under vacuum under negative pressure to reduce the boiling point of the juice, juice, vinasse, wastewater and effluent.
- This internal pressure inside the evaporator pipes, separators, heater and all piping) allows the hot gases (200 ° C) from the flue gas burners of the biomass of the sugarcane bagasse, after being saturated (70 ° C in temperature) can be used as a heat source to evaporate and concentrate the liquids.
- Figure 03 Production of water resulting from condensation of gases, washing and de-superheating of gases.
- the present invention describes a process for utilizing the waste heat (hot gas 200 ° C) disposed of in the chimneys (01) of steam generating boilers in a concentration plant whose constituent devices positioned in series and sequence produce large amounts of water,
- the evaporators work under the effect of different pressures multiplying the available energy by up to 6.2 times in 7 effects, thus generating high rates of evaporation. See example in the table below:
- one or more steam duct (s) (02) is adapted to pick up the hot gases and direct them to the preheater (03) of broth, juice, vinasse, waste water and effluents (04) that perform (m) the saturation and washing of these gases that are present in conditions of overheating.
- the hot gas duct is made in tubular format and can be curved plates, pipes or other profile that has the same function.
- a preheater In the heat exchanger type hull referred to herein as a preheater (03), which is provided with a system (07) which performs the water blasting in order to wash and desuperheat the gases, bringing them to the saturation temperature, suitable for use in this process.
- the preheater (03) is characterized in that it is made in tubular form made of curved plates, mirrors and product piping.
- the need for two or more pre-heaters or first-effect pipes is due to the amount of hot gas used in the process and to better distribution thereof inside (hull side) (27) of the bodies.
- This process operates on pressure variations between the side of the tubes 26 and the side of the hull 27 inside the tubing 12,23, 24 in order to lower the boiling temperature of the fluid to be concentrated.
- This process lowers the pressure inside the equipment through vacuum pumps or ejectors (28).
- This pressure starts at the inlet of the vacuum pump (28) with a negative pressure of 25 inches of mercury and increases towards the last effect for the first effect as represented by the arrow (31) in figure 1.
- This vacuum pump eliminates the air (29) by reducing the pressure in the inner part of the plant (26).
- the negative pressure decreases the boiling point of the juice, juice, vinasse, wastewater and effluent which normally is 100 ° C at atmospheric pressure (1 atm.) To 45 °. This internal pressure is around 25 inches of negative mercury that increases and as it moves away from the vacuum pump (28), in the (flow, juice, vinasse, wastewater and effluent).
- the transfer pipeline (02) of the hot gases can be tangentially or radially coupled to the chimney or it can collect all the gases from the chimney output by absorbing 100 percent of the gases eliminated in the atmosphere.
- the connection (02) with the steam generating boiler chimneys capture the gases and direct them to the preheater (03) and the first effect of the evaporator (12).
- the hot gas flow may or may not undergo acceleration, this acceleration is due to the addition of an exhaust fan after the first-action tubing (12) or the gas-collecting pipe (02).
- This hood may be installed in the outlet duct (02) of the gases when the hot gas flow is large, preventing congestion and malfunction of the boiler.
- the gases after being water-jetted to cool and wash, eliminating the generation of black soot at the gas outlet resulting from low oxygen contents during burning.
- juice, vinasse, waste water and effluents After passing through the broth pre-heater, juice, vinasse, waste water and effluents and undergo this treatment to increase its saturation.
- These gases are directed by a gas transport tube (09) and are housed in the outer compartment of the tubule where they perform the first concentration effect of the juice, vinasse, waste water and effluent present under the effect of vacuum in the internal compartment ( 26) of the pipes (12, 23 and 24).
- the broth, juice, vinasse, waste water and effluent or vinasse enter the internal compartment of the pipes (12, 23 and 24) through the top (06) thereof pumped by a pump (15) to the top of the tubing (06) , at the entrance of the pipe is present a venture that provides the effect of turbulent downward mist.
- the broth, juice, vinasse, wastewater and effluent pass through the venture forming a turbulent mist that descends downwardly through the heat exchanger system to the base of the pipes.
- This juice, juice, vinasse, wastewater and effluent 16 is pumped 15 to the next evaporative second piping 23 and so on to the last tubing 24 of the system.
- the non-condensible gases (10) collected from the chimneys (01) of the chairs, ie, are eliminated after the blasting of water by a chimney (11) present in the first evaporator pipe. These gases are prewashed (07) in the preheating stage and in the pipeline before being eliminated by the chimney (11) of the first-effect tubing.
- the process allows the addition of separators (13), which separates the juice, juice, vinasse, waste water and concentrated effluents from the vegetable vapor (14) resulting from the evaporation thereof and directing them into their compartments, that is, the hot steam is directed towards the side of the hull (27) and the juice, juice, vinasse, waste water and effluents to the tube side (26) of the next effect.
- the concentration of the juice, juice, vinasse, waste water and effluent is carried out with the subsequent effects as they enter with a low density (04), and leave with a higher density (32).
- a low density 04
- a higher density 302.
- the juice, vinasse, waste water and effluents enter the first tube (06) where it undergoes the first evaporative effect and leaves the last one (32) with density suitable for use.
- the flow of juice, vinasse, waste water and effluent begins with the pumping of vinasse (04) in the preheater, which heats the vinasse (05) and directs to the top of the first effect tubing (06) . After the broth, juice, vinasse, wastewater and effluent to undergo the first effect they are drained (16) and pumped (15) again to the next effect (23) and so on.
- the evaporative condenser 25 performs the condensation of the water vapor resulting from the evaporation of the juice, vinasse, waste water and effluents by a cooling of the steam producing a large amount of water 33 in the process.
- the liquid to be concentrated enters the plant driven by a centrifugal pump (34) which feeds the plant with the product to be concentrated, in the exemplified case broth or vinasse.
- the series and sequence described above of the improvement comprises coupling the improvement in the boiler chimneys for capturing hot gases and transporting it to the preheater (03) where it receives water to reach saturated conditions such as steam, saturated steam duct (02) , first effect tubing (12), vapor separators (13) between the pipes, evaporative condenser (25), centrifugal pumps (34, 21 and 15) for product movement and vacuum system, as shown in figure 1.
Abstract
O presente invento descreve um processo para aproveitamento do calor residual (gás quente 200°C) eliminado nas chaminés (01) de caldeiras geradoras de vapor. Os gases, inicialmente superaquecidos, alimentam inicialmente um pré-aquecedor (03) com bicos pulverizadores (07) que irão dessuperaquecê-los e saturá-los e, em seguida, alimenta um evaporador de múltiplos efeitos (12,23,24) que realiza a concentração do caldo ou da vinhaça com "N" efeitos. Esse processo permite que a concentração do caldo ou da vinhaça realizada por evaporadores tipo névoa turbulenta, especialmente desenvolvidos para serem alimentados 100% com os gases quentes das chaminés das caldeiras. Descreve, ainda, um aperfeiçoamento na planta de concentração, consistindo em um acoplamento (02) que capta os gases quentes eliminados nas chaminés de forma total ou parcial e adição de lavadores/pulverizadores (07) que lavam e dessuperaquecem com água condensada (17) dos referidos gases, bem como adição de uma chaminé (11) que elimina os gases secos (10) não condensáveis.
Description
PROCESSO PARA UTILIZAÇÃO DO CALOR RESIDUAL ELIMINADO NAS CHAMINÉS DE CALDEIRAS PROVENIENTES DA QUEIMA DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇUCAR E APERFEIÇOAMENTO NA PLANTA DE CONCENTRAÇÃO
Campo da invenção
O presente invento diz respeito a um processo para tratamento e utilização dos gases quentes eliminados nas chaminés das caldeiras geradoras de vapor e aperfeiçoamento na planta de concentração para concentração de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes aplicado em usinas sucroalcooleiras, cítricas, alimentícias ou indústrias similares que necessitam da utilização deste processo e produto ora requeridas nesse documento.
Fundamentos da invenção
Dentre todas as perdas térmicas de uma caldeira de queima do bagaço da cana, 50% correspondem aos gases quentes descarregados na atmosfera pela chaminé, constituindo-se sempre na maior perda térmica do sistema de geração de vapor. Esta energia não era recuperada por questões projetuais nos pré- aquecedores e evaporadores de concentração de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes. Devido à ausência de enxofre na composição elementar da queima do bagaço, o mesmo é indicado para alimentar as caldeiras de indústrias cítricas, sucroalcooleiras ou indústrias similares que necessita da utilização deste processo.
Originalmente as chaminés das caldeiras geradoras de vapor alimentadas pela biomassa do bagaço da cana-de-açúcar, jogam os gases superaquecidos na atmosfera. Essa perda é tanto prejudicial à economia quanto ao meio ambiente, pois esses gases quentes eliminados, além de poluir a atmosfera, são ricos em energia térmica e água. Especialmente os gases das chaminés provenientes da queima do bagaço da cana-de-açúcar são extremamente ricos em água, porém estão em condições de superaquecimento (aproximadamente 200°C) necessitando de transformação em seu estado (saturando em 70°C) para ser utilizado com maior eficiência nos tubulões trocadores de calor, condensando e fornecendo energia para concentração de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes.
A umidade relativa dos gases das chaminés de caldeiras de queima de bagaço de cana-de-açúcar varia de 40 a 80%, tornando possível a utilização desta
água resultante da condensação dos gases quentes eliminados nas chaminés, para alimentar os lavadores de gases.
A utilização do vapor para geração de energia de aquecimento é bastante conhecida, porém a presente invenção não utiliza vapor, pois utiliza gás quente como fonte de calor que é saturado e condensado, formando bastante quantidade de água que é reaproveitada nos lavadores ou outro processo que demande água na indústria.
O processo ora reivindicado é provido de um aperfeiçoamento construtivo no pré-aquecedor e tubulão de primeiro efeito que permite a lavagem e dessuperaquecimento dos gases quentes eliminados nas chaminés das caldeiras alimentadas pelo bagaço da cana-de-açúcar, com inédita aplicação no setor industrial. Os inventores desenvolveram esse processo através de estudos realizados em uma planta piloto e com a experiência prévia das fábricas do setor sucroalcooleiro e cítrico. No setor cítrico utilizam evaporadores de energia residual distintos para concentração do "licor" proveniente do processamento do bagaço cítrico. Tais evaporadores utilizam o gás quente resultante da secagem do bagaço cítrico.
Antecedentes da invenção
O desenvolvimento tecnológico na área sucroalcooleira especialmente na fabricação de álcool e açúcar tem desenvolvimento bastante concreto como apresenta este relatório de anterioridade do estado da técnica.
O documento de patente brasileiro, BRPI0805706, intitulado como PROCESSO PARA RECUPERAÇÃO DE AGUA E ENERGIA DO PROCESSAMENTO DE CANA-DE-AÇUCAR EM USINAS DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL, descreve um processo para recuperação de água no processamento da cana-de-açúcar, em usinas de produção de açúcar e álcool, segundo o qual a energia térmica disponível no vapor de escape das turbinas de geração de energia elétrica, é transferida para as diferentes fases de processamento do caldo, como na fase de extração de caldo, para resfriamento no processo, após passar por torres de resfriamento, para as demais utilizações industriais e para possível tratamento ou utilização na irrigação fora do sistema produtivo na usina.
O documento de patente brasileiro, PI0801519-8, intitulado como EVAPORADOR DE CONCENTRAÇÃO DE VINHAÇA PARA DESTILARIAS EM GERAL, refere-se a equipamentos aplicados preferencialmente em destilaria de etanol, que permitem realizar o processo de concentração de vinhaça usando tubulão de evaporação como "reboiler" das colunas, assim como tubulão de evaporação como condensador das colunas em questão, sem consumo extra de energia ou vapor de água, para tanto utilizando bombas para movimentação do produto; pré- aquecedores para o aquecimento do vinho; aquecedor final que realiza o último aquecimento do vinho; coluna responsável pela primeira destilação; tubulões que executam a evaporação da vinhaça; separadores que dissociam os vapores dos líquidos no evaporador; coluna responsável pela segunda destilação; condensador evaporativo que condensa os vapores dos últimos efeitos e sistema de remoção do ar do equipamento por meio de vácuo.
O documento de patente canadense, CA1054921, intitulado como EVAPORADOR DE CONCENTRAÇÃO POR PROCESSO DE MULTIESTÁGIOS E MÚLTIPLO EFEITO, descreve um método e aparelho em que os efeitos em sistemas de evaporação de múltiplo efeito são separados em fases sucessivas e os vapores nas fases de um efeito são utilizados como uma fonte de calor para o líquido em fases de um efeito subsequente.
O documento de patente japonesa, JP2010/061805, intitulada como SISTEMA DE CONCENTRAÇÃO E MÉTODO PARA OPERAR O SISTEMA DE CONCENTRAÇÃO, descreve um sistema de concentração de substâncias, em que a capacidade de tratamento de um dispositivo de concentração por evaporação é mantida mesmo se houver uma diminuição da demanda de energia elétrica ou a interrupção dos equipamentos de geração de energia elétrica e fornecimento de vapor. O gás de resíduos advindo da turbina passa por um queimador auxiliar e é fornecido a uma caldeira de recuperação do calor dos resíduos, como um gás quente. A caldeira de recuperação do calor dos resíduos gera e fornece vapor para um dispositivo de concentração por evaporação. Se a quantidade de vapor fornecida é determinada insuficiente, o queimador auxiliar é ativado. O queimador auxiliar aquece o gás residual como ar de combustão para queimar combustível adicional, produzindo um gás quente. O referido gás quente é fornecido para a
caldeira de recuperação do calor dos resíduos. Isto aumenta a quantidade de vapor fornecida a partir da caldeira de recuperação do calor dos resíduos.
O documento de patente chinesa, CN201954525, intitulada como DISPOSITIVO EVAPORADOR COM FLUXO PARALELO QUE RECUPERA O CALOR RESIDUAL DAS CALDEIRAS, descreve um modelo de utilidade de caldeira para recuperação do calor residual da caldeira em um evaporador de fluxo paralelo, incluindo uma caldeira de combustão, equipamento interno e externo de combustão, uma conduta de ligação do mesmo, e uma válvula de um instrumento de controle. Pelo menos um aquecedor de fluido, um evaporador de fluxo paralelo, um economizador de carvão existente da caldeira, e um pré-aquecedor de ar são usados na combustão. O meio de trabalho do evaporador de fluxo paralelo é através água ou outros meios adequados, sendo que o fluxo gerado é recolhido através do meio de transição de fase gasosa, que está fora do tubo, em seguida, insere um trocador de calor através de um gasoduto de transição, e um aquecedor de ar que aquece o meio para a recuperação de calor. O evaporador flui o gás de combustão ao longo do canal entre as aletas em forma de onda, e, assim, é melhorada a transferência de calor e a deposição de cinzas do evaporador é minimizada.
O documento de patente japonesa JP63270504, intitulada como DISPOSITIVO PARA CONCENTRAÇÃO DE RESÍDUOS LÍQUIDOS DE DESTILAÇÃO descreve um dispositivo para concentrar o líquido de resíduos de destilação com a recuperação de calor das águas residuais quente por evaporação desta, gerada no processo de concentração em destilarias, comprimindo o vapor com um ejetor de vapor, e concentrando-se o líquido de resíduos de destilação através de um sistema com efeito múltiplo.
Outra invenção é descrita no documento de patente chinesa C 101543682, intitulada como SISTEMA E MÉTODO PARA CONCENTRAR LÍQUIDOS RESIDUAIS DA PRODUÇÃO DO ÁLCOOL, que demonstra uma tecnologia que pertence ao domínio da produção de álcool, referindo-se à economia de energia na redução do volume de resíduos líquidos da produção do álcool. A patente descreve um sistema de concentração e um método de concentração de líquido de resíduos da produção de álcool. O sistema compreende em um evaporador de primeiro efeito, um evaporador de segundo efeito e um evaporador de terceiro efeito. Na
produção de álcool, o vapor entra no evaporador de primeiro efeito e é tomado como a fonte de calor do evaporador de segundo efeito. Seguido por analogia, o vapor utilizado pelo evaporador de segundo efeito é tomado como fonte de calor do evaporador de terceiro efeito, e o vapor produzido pelo evaporador de terceiro efeito entra diretamente numa caleira de torre de destilação, sendo o álcool separado na torre de destilação. O líquido inicial dos resíduos de álcool é concentrado no evaporador de terceiro efeito, e energia do vapor pode ser utilizada repetidamente por acoplamento. O líquido de resíduos de álcool é concentrado quando o processo de destilação é terminado, assim, a concentração de vapor é reduzida.
O documento de patente chinesa CN2429235, intitulada como AUMENTO DA EFICIÊNCIA E ECONOMIA ENERGÉTICA EM TORRE DE EVAPORAÇÃO CONTÍNUA, descreve um modelo de utilidade de um evaporador para a concentração de resíduos líquidos resultante da produção do álcool. O modelo de utilidade é composto de uma ranhura de evaporação e concentração, um reservatório de balanceamento de condensado de água, e um tubo de comunicação que são empilhados em camadas múltiplas. O modelo de utilidade rompe o limite de evaporação convencional contendo cinco efeitos. O modelo de utilidade tem as vantagens de componente de movimento não mecânico, nenhum consumo de energia elétrica, nenhuma poluição causada pelo resíduo líquido do álcool, a estrutura compacta, a pequena ocupação de área, a evaporação contínua, de alta eficiência, e economia de energia, estrutura simples. O modelo de utilidade é adequado para o processo de evaporação para concentração, separação e remoção de água para resíduos de águas residuais tóxicas e resíduos de líquidos.
Embora esses evaporadores de concentração utilizem vapores provenientes da caldeira produtora de vapor, sistema a vácuo e calores residuais de caldeiras, não utilizam o gás quente eliminados nas chaminés das caldeiras como fonte de alimentação térmica, além de desperdiçar grande quantidade de água na lavagem dos gases.
Visando solucionar problemas económicos e ambientais foi desenvolvido um processo juntamente com uma disposição construtiva metálica que utiliza os gases quentes desperdiçados nas chaminés das caldeiras, provenientes da queima da biomassa do bagaço da cana-de-açúcar, para alimentar evaporadores de múltiplos
efeitos que concentram caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes sob efeito de vácuo. Os gases quentes resultantes da queima do bagaço da cana foram escolhidos por duas razões: em primeiro lugar, porque o gás quente pode ser utilizado como fonte de energia térmica em evaporadores, em segundo lugar, porque a presença de água é abundante após a condensação dos gases, podendo ser utilizada como utilidade para lavadores de gases ou nebulizadores (sprays) para saturação. Nessa ocasião é considerado a produção de água tanto da concentração de vinhaça quanto na condensação dos gases quentes, pois a utilização de um equipamento autossuficiente na produção de água e com sobra é uma característica da planta de concentração ora requerida como patente de invenção.
Objetivo da invenção
Com objetivo industrial de aumentar a eficiência e o aproveitamento de gases quentes provenientes da queima do bagaço da cana, o processo e aperfeiçoamento ora reivindicado traz uma solução economicamente e ecologicamente viável e de fácil acoplamento nas usinas de produção de alimentos, etanol, álcool, açúcar, suco concentrado ou fertilizante orgânico. O processo de concentração é acoplado nas chaminés através de um coletor de gás, que capta os gases quentes eliminados nas chaminés das caldeiras e utiliza-o como fonte de energia térmica nos evaporadores de concentração tipo névoa turbulenta.
A biomassa do bagaço da cana é utilizada como combustível nas caldeiras geradoras de vapor das indústrias sucroalcooleiras e cítricas, produzindo um gás quente com aproximadamente 50% de umidade e uma temperatura por volta de 200°C em condições de superaquecimento, porém esse gás permite ser resfriado e saturado (100% de umidade) apresentando, no seu ponto de orvalho, uma temperatura de aproximadamente 70°C. Os gases, inicialmente superaquecidos, alimentam inicialmente um pré-aquecedor com bicos pulverizadores que irão dessuperaquecê-los e saturá-los e, em seguida, alimenta uma planta de evaporação que opera em múltiplos efeitos realizando a concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes. Esse processo associado a disposição construtiva da planta permite que a concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes seja realizada por evaporadores tipo névoa turbulenta,
especialmente desenvolvidos para esse fim, alimentados 100% com os gases quentes das chaminés de caldeiras.
O desenvolvimento do processo que utiliza calor residual proveniente das chaminés das caldeiras alimentadas por biomassa do bagaço da cana-de-açúcar como fonte térmica para evaporadores de concentração caracteriza-se no reaproveitamento dessa energia aplicada a múltiplos efeitos de evaporação, em uma planta, cujos equipamentos constituintes posicionados em série e sequencia conseguem realizar a evaporação com aproveitamento de energia associada ao tratamento dos gases quentes. Esse gás quente depois de saturado opera evaporadores que trabalham sob efeito de vácuo, tornando possível utilizar a capacidade térmica dos gases para condensar e evaporar suco, vinhaça ou caldo de cana para a fabricação de etanol, açúcar ou concentrado em geral, sem consumo de energia térmica externa, bem como concentrar por evaporação a vinhaça residual da produção de etanol.
Esse processo consiste no aproveitamento do calor eliminado nas chaminés das caldeiras como fonte de energia térmica, para alimentar um evaporador tipo névoa turbulenta, que opera sob efeito do vácuo, diminuindo a temperatura do ponto de ebulição e facilitando a concentração do caldo ou da vinhaça em níveis aceitáveis de concentração para os seus devidos fins.
O objetivo da implantação desse processo de utilização dos gases quentes provenientes da queima da biomassa do bagaço da cana-de-açúcar, associada a disposição construtiva da planta consiste em concentrar o caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes em um evaporador de múltiplos efeitos (de 1 até 10 efeitos), sendo que esses efeitos influenciam na quantidade de energia residual necessária para iniciar o processo de evaporação. Outra característica deste processo e planta é a eliminação dos lavadores de gases da chaminé que utilizam grande quantidade de água para realizar esse processo de lavagem, sendo que no novo processo ocorre uma produção de água resultante da condensação dos gases quentes, que é utilizada para dessuperaquecer os mesmos tornando-os saturados aumentando a eficiência na troca de calor.
A utilização deste processo gerará os seguintes benefícios para as indústrias: redução no consumo de vapor na planta de concentração de caldo, maior disponibilidade de vapor para geração de energia termoelétrica, eliminação
dos lavadores de gases existentes, eliminação no consumo de água para os lavadores de gases, altos coeficientes de evaporação devido ao efeito vácuo no interior dos evaporadores.
Para aumentar a saturação (aproximadamente 70°C) e lavar os gases superaquecidos (200°C) eliminados nas chaminés, foi aplicada uma aperfeiçoamento na planta de concentração que realiza o jateamento de água direto, por pulverização, nos gases que estão presentes no lado casco do(s) pré- aquecedor(es) e no(s) tubulão(ões) de primeiro efeito. A água utilizada na saturação e/ou lavagem é resultante da condensação desses gases quentes durante a troca de calor no interior dos tubulões. Essa água é drenada constantemente na base dos tubulões e armazenada no tanque do lavador/nebulizador.
Sumário da invenção
O processo consiste em utilizar os gases quentes provenientes das chaminés de caldeiras alimentadas pela queima da biomassa do bagaço da cana- de-açúcar, utilizando uma disposição construtiva de planta de concentração que capta os gases através de dutos e transporta-os para os evaporadores de múltiplos efeitos que operam sob o efeito do vácuo. Esse acoplamento permite que os gases em condições de superaquecimento (200°C) possam ser resfriados/dessuperaquecidos e aumentando sua saturação, cujo processo é permitido pelo aperfeiçoamento construtivo no pré-aquecedor e do evaporador (primeiro efeito) que conta com bicos que lavam os gases quentes jogando água diretamente nos mesmos. Essa água é resultante da condensação desses gases quentes durante a troca de calor no interior do(s) tubulão(ões) (primeiro efeito).
Esse processo e equipamentos são utilizados para evaporar e concentrar o caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes, em tubulões evaporadores que no seu interior estão os líquidos sob efeito de vácuo com pressão negativa para reduzir o ponto de ebulição do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes. Essa pressão interna (no interior dos tubulões evaporadores, separadores, aquecedor e em toda tubulação) permite que os gases, quentes (200°C), provenientes das chaminés das caldeiras de queima da biomassa do bagaço da cana, depois de saturados (70°C em temperatura) possam ser utilizados como fonte de calor para evaporar e concentrar os líquidos.
Breve descrição das figuras
Para se obter uma total e completa visualização do PROCESSO PARA UTILIZAÇÃO DO CALOR RESIDUAL ELIMINADO NAS CHAMINÉS DE CALDEIRAS PROVENIENTES DA QUEIMA DO BAGAÇO DA CANA-DE-AÇUCAR 5 E APERFEIÇOAMENTO NA PLANTA DE CONCENTRAÇÃO, objeto de patente de invenção, acompanham os desenhos aos quais se fazem referências conforme segue abaixo:
Figura 01 - Planta de concentração para utilização dos gases quentes eliminados nas chaminés das caldeiras.
D Figura 02 - Processo para concentração de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes com utilização dos gases quentes, bem como, um detalhe do compartimento interno (26) e externo (27) dos tubulões (12, 23, 24).
Figura 03 - Produção de água resultante da condensação dos gases, lavagem e dessuperaquecimento dos gases.
s Descrição detalhada da invenção
A presente invenção descreve um processo para aproveitamento do calor residual (gás quente 200°C) eliminado nas chaminés (01) de caldeiras geradoras de vapor em uma planta de concentração cujos equipamentos constituintes posicionados em série e sequencia produzem grande quantidade de água,
3 produtos concentrados e realiza o tratamento do gás. Esse gás quente é preferencialmente proveniente da queima da biomassa do bagaço da cana-de- açúcar para alimentar o evaporador e a disposição construtiva é preferencialmente construída em aço inoxidável ou outros aços e aços ligas conformados e soldados. Esse gás quente com aproximadamente 50% de umidade e uma temperatura de
5 200°C em condições de superaquecimento permite ser saturado (100% de umidade), apresentando no seu ponto de orvalho uma temperatura de 70°C. Os gases, inicialmente superaquecidos, alimentam são recolhidos por um duto de gás (02) que transporta até um pré-aquecedor (03) com bicos pulverizadores (07) que irão dessuperaquecê-los e saturá-los e, em seguida, alimentar uma planta de
] evaporação em múltiplos efeitos que realiza a concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes com "N" efeitos. Esse processo associado a disposição construtiva permite que a concentração do caldo, suco, vinhaça, águas
residuais e efluentes realizada por evaporadores tipo névoa turbulenta (12, 23, 24) especialmente desenvolvidos para esse fim, sejam alimentados 100% com os gases quentes das chaminés das caldeiras.
Os evaporadores trabalham sob efeito de pressões diferentes multiplicando a energia disponível até em 6,2 vezes em 7 efeitos, gerando assim altas taxas de evaporação. Veja exemplo na tabela abaixo:
Tabela 1 - Taxa de evaporação de acordo com os números de tubulões evaporativos.
O processo é composto das seguintes etapas: captação dos gases quentes (01) pelo duto de gás quente (02); saturação dos gases quentes com pulverização de água pelos bicos pulverizadores (07) no pré-aquecedor (03); utilização dos gases para concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes no primeiro tubulão (12); condensação dos gases quentes com produção de água condensada (20); drenagem (17) e/ou reutilização da água resultante da condensação dos gases no próprio processo.
Os gases quentes que são eliminados pelas chaminés de caldeiras (01) geradoras de vapor alimentadas pela queima da biomassa do bagaço da cana-de- açúcar iniciando o processo. Neste processo é adaptado um ou mais duto(s) de vapor (02) que capta(m) os gases quentes e os direcionam para o(s) pré- aquecedor(es) (03) de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes (04) que realiza(m) a saturação e lavagem desses gases que se apresentam em condições de superaquecimento. O duto de gás quente é confeccionado em formato tubular podendo ser chapas curvas, tubos ou outro perfil que tenha a mesma função.
No trocador de calor tipo casco tubo denominado aqui de pré-aquecedor (03) cujo provido de um sistema (07) que realiza o jateamento de água com intuito de lavar e dessuperaquecer os gases, levando-os para a temperatura de saturação, apropriada para utilização neste processo. O pré-aquecedor (03) é caracterizado por ser confeccionado em formato tubular fabricado em chapas curvadas, espelhos
e tubulação de produto. A necessidade de dois ou mais pré-aquecedores ou tubulões de primeiro efeito se dá devido à quantidade de gás quente aproveitado no processo e para melhor distribuição do mesmo no interior (lado casco) (27) dos corpos.
O pré-aquecedor (03) recebe um fluxo continuo de gás quente proveniente das chaminés e realiza o pré-aquecimento do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes através de troca térmica entre o compartimento externo (27) (gás quente saturado) e interno (26) (caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes), esse pré-aquecedor permite que a vinhaça entre com temperatura ambiente (04), pré-aqueça (05) e chegue ao primeiro tubulão (06) com uma temperatura que varia de 65°C a 75°C.
Devido ao aperfeiçoamento presente nos pré-aquecedores (03) e tubulão de primeiro efeito (12) os gases quentes são dessuperaquecidos por bicos (07) que pulverizam água diretamente nos mesmos. Esse resfriamento aumenta a saturação dos gases gerando altas taxas de transferência de calor entre a parte interna do casco (26) e a parte externa dos tubos (27). Aplicando o sistema de vácuo (31) na parte interna dos tubos o ponto de ebulição do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes se torna menor, isso acarreta em uma diminuição na quantidade de calor necessário para evaporar esses líquidos, ocasionando em uma diminuição no consumo de energia para realizar a concentração de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes.
Esse processo opera sobre variações de pressão entre o lado dos tubos (26) e o lado do casco (27) no interior dos tubulões (12,23, 24), com o objetivo de baixar a temperatura de ebulição do fluido que será concentrado. Esse processo diminui a pressão na parte interna do equipamento através de bombas de vácuo ou ejetores (28). Essa pressão inicia-se na entrada da bomba de vácuo (28) com pressão manométrica de 25 polegadas negativas de mercúrio e vai aumentando no sentido do último efeito para o primeiro efeito como representa a seta (31) na figura 1. Essa bomba de vácuo elimina o ar (29) reduzindo a pressão na parte interna da planta (26).
A pressão negativa diminui o ponto de ebulição do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes que normalmente é de 100°C à pressão atmosférica (1 atm.) para 45°. Essa pressão interna é em torno de 25 polegadas negativas de mercúrio que aumenta e à medida que se afasta da bomba de vácuo (28), no
sentido contrário ao fluxo de produto (caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes).
O aperfeiçoamento construtivo nas plantas de concentração é preferencialmente construído em aço inoxidável ou outros aços e ligas metálicas, e está presente na planta de concentração a iniciar pelo duto de captação de gás quente (02) que capta os gases quentes contribui para a formação de um fluxo contínuo. O fluxo de líquido ocorre no sentido do primeiro para o último tubulão (I, II, III, IV e assim por diante, de acordo com a quantidade de efeitos existentes no evaporador) realizando a troca de calor entre a parte interna (caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes) e a parte externa do casco (gás-quente no primeiro efeito e vapor do próprio caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes nos demais efeitos) para a concentração de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes. Assim a concentração do fluido ocorre no sentido do primeiro para o último tubulão/efeito como representa a seta (30) na figura 1.
Para máxima eficiência na captação dos gases das chaminés o duto de transferência (02) dos gases quentes pode ser acoplado de forma tangencial ou radial a chaminé ou ainda pode coletar todos os gases da saída da chaminé absorvendo 100 por cento dos gases eliminado na atmosfera. A conexão (02) com as chaminés das caldeiras geradoras de vapor captam os gases e direcionam para o pré-aquecedor (03) e o primeiro efeito do evaporador (12). O fluxo de gás quente pode ou não sofrer a aceleração, essa aceleração é decorrente da adição de um exaustor após o tubulão de primeiro efeito (12) ou no tubo coletor de gás (02). Esse exaustor poderá ser instalado no duto de saída (02) dos gases quando a vazão de gás quente for grande, impedindo o congestionamento e mau funcionamento da caldeira.
Esse processo é preferencialmente aplicado nos evaporadores de concentração tipo névoa turbulenta descendente, conferindo a esse tipo de evaporador altas taxas de evaporação (Kg de evaporação /área de troca de calor), além de baixas taxas de incrustação, tendo grande aceitação em plantas sucroalcooleiras para a produção de álcool, açúcar ou vinhaça concentrada.
Os gases são captados das chaminés pelos acoplamentos (02) que captam até 100 por cento dos gases, esses gases apresentam-se com temperatura em torno de 200°C (variação de 10°C para mais ou para menos). Esses gases entram no pré-aquecedor (03) de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes, onde
recebe uma pulverização de água para resfriar 70°C (variação de 10°C para mais ou para menos) e aumentar sua saturação, pois os gases saturados aumenta a eficiência na troca de calor no interior dos tubulões evaporadores.
Os gases após sofrerem o jateamento de água para resfriar e lavar os mesmos eliminando a geração de fuligem negra na saída dos gases resultado de baixos teores de oxigénio durante a queima. Após passarem pelo pré-aquecedor do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes e sofrer esse tratamento para aumentar sua saturação. Esses gases são direcionados por um tubo de transporte de gás (09) e alojam-se no compartimento externo do tubulão onde realizam o primeiro efeito de concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes presente sob efeito de vácuo no compartimento interno (26) dos tubulões (12, 23 e 24).
Como a captação dos gases é constante naturalmente forma-se um fluxo de gás quente, assim os mesmos adotam movimento influenciado pelo sistema de captação e separação de vapor vegetal do concentrado para o próximo efeito (13) e transportam para o próximo tubulão e realizam a segunda evaporação sob o efeito do vácuo. Esses gases chegam à temperatura pouco menor para realizar a concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes, porém o novo sistema possui seu principio funcional baseado na aplicação do vácuo no compartimento interno dos tubulões (onde estão os líquidos condensáveis) o que acarreta na diminuição na temperatura de ebulição do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes.
Os tubulões são divididos em compartimento interno e externo, o compartimento interno é onde corre o liquido para ser concentrado sob efeito de vácuo com pressão negativa de 25 polegadas negativas de mercúrio e o compartimento externo é onde corre o gás quente resultado da saturação dos gases da chaminés das caldeiras, que se encontra em superaquecimento e pressão pouco acima da pressão atmosférica. A troca de calor acontece na parede dos tubos de evaporação (parte interna dos evaporadores) e parte externa (contem gás quente e úmido) facilitando a ebulição para evaporação da água e concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes devido às diferenças de pressão existente entre o compartimento interno e externo dentro dos tubulões.
O caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes ou vinhaça entram no compartimento interno dos tubulões (12, 23 e 24) pela parte superior (06) dos mesmos bombeados por uma bomba (15) até a parte superior do tubulão (06), na entrada do tubulão está presente um venture que proporciona o efeito de névoa turbulenta descendente. O caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes passam pelo venture formando uma névoa turbulenta que escorrem de forma descendente pelo sistema de trocador de calor até a base dos tubulões. Esse caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes (16) são bombeados (15) para o próximo tubulão (23) evaporativo de segundo efeito, e assim sucessivamente até o ultimo tubulão (24) do sistema.
Os gases não condensáveis (10) captados das chaminés (01) das cadeiras, ou seja, são eliminados após os jateamento de água por uma chaminé (11) presentes no primeiro tubulão evaporador. Esses gases são previamente lavados (07) no estágio de pré-aquecimento e no tubulão antes de serem eliminados pela chaminé (11) do tubulão de primeiro efeito.
Para que ocorra a transferência de vapor quente proveniente da própria evaporação do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes para o efeito subsequente, o processo permite a adição de separadores (13), que separa o caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes concentrada do vapor vegetal (14) resultante da evaporação dos mesmos e direciona-os para os seus compartimentos, ou seja, o vapor quente é direcionado para o lado do casco (27) e o caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes concentrada para o lado tubo (26) do próximo efeito.
Os tubulões subsequentes apresentam o mesmo princípio de funcionamento, sendo que "devido a baixa temperatura dos gases", os tubulões utilizam o efeito de névoa turbulenta sob o efeito de vácuo para utilizar menor temperatura de ebulição do líquido ou caldo.
A concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes é realizada com os efeitos subsequentes, pois os mesmos entram com uma densidade baixa (04), e sai com uma densidade maior (32). Para a concentração com maior eficiência do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes torna-se necessário a utilização de um até múltiplos efeitos evaporativos, sendo que o caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes entram no primeiro tubulão (06) onde sofre o primeiro efeito evaporativo e sai no último (32) com densidade
apropriada para uso. O fluxo de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes inicia-se com o bombeamento de vinhaça (04) no pré-aquecedor, que aquece a vinhaça (05) e direciona para a parte superior do tubulão de primeiro efeito (06). Após o caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes sofrer o primeiro efeito os mesmos são drenados (16) e bombeados (15) novamente para o próximo efeito (23) e assim por diante.
Lavar os gases é necessário, essa lavagem ocorre com a pulverização de água direto nos gases. O processo ora requerido realiza a lavagem dos gases juntamente com a saturação (resfriamento) dos gases com água proveniente da evaporação do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes e dos gases das chaminés que são drenadas e armazenadas no tanque do lavador (18). Como a produção de água nesta etapa do processo é grande o tanque é provido de dreno (17) que drena a água em excesso e direciona para utilização em outro processo da planta. Para que essa água seja pulverizada pelos bicos (07) é necessário a presença de uma bomba (21) que bombeia a água do tanque até os bicos do pré- aquecedor e tubulão de primeiro efeito por tubos (22).
O condensador evaporativo (25) realiza a condensação do vapor de água resultante da evaporação do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes através de um resfriamento do vapor produzindo bastante quantidade de água (33) no processo.
Inicialmente o líquido a ser concentrado entra na planta impulsionado por uma bomba centrífuga (34) que alimenta a planta com o produto a ser concentrado, no caso exemplificado caldo ou vinhaça.
A série e sequencia ora descrita do aperfeiçoamento compreende o acoplamento do aperfeiçoamento nas chaminés de caldeiras para captação de gases quentes e transportando para o pré-aquecedor (03) onde recebe água para chegar a condições saturadas como vapor, duto (02) de vapor saturado, tubulão de primeiro efeito (12), separadores de vapor (13) entre os tubulões, condensador evaporativo (25), bombas centrífugas (34, 21 e 15) para movimentação do produto e sistema de vácuo, conforme apresentado na figura 1.
Claims
REIVINDICAÇÕES
1- Processo para Utilização do Calor Residual Eliminado nas Chaminés de Caldeiras Provenientes da Queima do Bagaço da Cana-de- açúcar, caracterizado por utilizar os gases quentes eliminados nas chaminés (01) de caldeiras geradora de vapor, alimentadas pela queima da biomassa do bagaço da cana-de-açúcar, como fonte de energia térmica para concentração de caldo ou vinhaça em um evaporador tipo névoa turbulenta (12, 23, 24), sob efeito de vácuo e múltiplos efeitos de acordo com a concentração desejada, realizando a saturação dos gases quentes mediante pulverização de água diretamente nos mesmos no pré-aquecedor (03) e tubulão de primeiro efeito (12), antes de eliminá-los pela chaminé (11) do primeiro tubulão, compreendendo as seguintes etapas:
- captação dos gases quentes (01) pelo duto de gás quente (02);
- saturação dos gases quentes com pulverização de água pelos bicos pulverizadores (07) no pré-aquecedor (03);
- utilização dos gases para concentração do caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes no primeiro tubulão (12);
- condensação dos gases quentes com produção de água condensada (20); e,
- drenagem (17) e/ou reutilização da água resultante da condensação dos gases no próprio processo.
2- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por produzir água condensada (17) do próprio gás quente e utilizá-la para realizar a saturação e lavagem dos referidos gases.
3- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por realizar simultaneamente a saturação e lavagem dos gases pulverizando água diretamente nos referidos gases por bicos pulverizadores (07).
4- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por gerar um fluxo de gás quente eliminados nas chaminés parcial ou totalmente de acordo com a vazão de gás e números de efeitos da planta de concentração, podendo ou não ser acelerado por um exaustor de gás, dependendo da vazão do referido gás.
5- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por captar a energia residual das chaminés e utilizá-la como fonte térmica em múltiplos efeitos de acordo com a concentração desejada do caldo ou vinhaça.
6- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por utilizar o efeito do vácuo na parte interna do tudo (26) para diminuir o ponto de ebulição do caldo ou vinhaça tornando possível à utilização dos gases quentes localizados no casco (27) do primeiro efeito, bem como o vapor vegetal (14) nos efeitos subsequentes.
7- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por utilizar o vapor vegetal do efeito anterior como fonte de energia térmica para concentração do caldo ou vinhaça no efeito subsequente.
8- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por utilizar os gases quentes eliminados nas chaminés para pré-aquecer o caldo ou vinhaça (05) no pré-aquecedor (03) do sistema de evaporação.
9- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por operar os evaporadores de concentração do caldo ou vinhaça com diferentes pressões entre o lado tubo (26) e o lado casco (27) para aumentar a taxa de evaporação.
10- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por apresentar menores pressões no lado tubo (26) (caldo ou vinhaça) de acordo com a aproximação da bomba de vácuo (28), diminuindo a temperatura de ebulição do caldo ou vinhaça do primeiro para o último efeito.
11- Processo, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por realizar a eliminação dos gases secos (10) (não condensáveis) na chaminé (11) do primeiro tubulão posterior a lavagem (07).
12- Aperfeiçoamento na planta de concentração é caracterizado por ser adaptado um ou mais duto(s) de vapor (02) que capta(m) os gases quentes e os direcionam para o(s) pré-aquecedor(es) (03) de caldo, suco, vinhaça, águas residuais e efluentes (04), sendo o duto de gás quente (02) confeccionado preferencialmente em metal em formato tubular podendo ser chapas curvas, tubos ou outro perfil que tenha a mesma função, apresentando
lavadores/pulverizadores (07) localizados no pré-aquecedor (03) e tubulão de primeiro efeito (12) que, por sua vez, apresenta uma chaminé (11).
13- Aperfeiçoamento na planta de concentração, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por apresentar seus equipamentos constituintes posicionados em série e sequência que compreende o acoplamento do aperfeiçoamento nas chaminés de caldeiras (01) para captação de gases quentes e transporte para o pré-aquecedor (03) onde recebe água para chegar a condições saturadas como vapor, duto de vapor saturado (02), tubulão de primeiro efeito (12), separadores de vapor entre os tubulões (13), condensador evaporativo (25), bombas centrífugas (34, 21 e 15) para movimentação do produto e sistema de vácuo.
14- Aperfeiçoamento na planta de concentração, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fluxo contínuo ser realizado por bombas centrífugas (21 , 15) e transportado por tubulação (35) em todo o percurso do equipamento, sendo que a presença de separadores de vapor vegetal e condensado é realizada no intervalo entre os tubulões evaporadores (12, 23, 24), e toda a água condensada é drenada na base do tubulão de primeiro efeito (12) e bombeada por bomba centrífuga (21 , 15) até os bicos pulverizadores (07).
15- Aperfeiçoamento na planta de concentração, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo líquido a ser concentrado entrar na planta impulsionado por uma bomba centrífuga (34) que alimenta a planta com o produto a ser concentrado.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN104310441A (zh) * | 2014-10-10 | 2015-01-28 | 山东诺贝丰化学有限公司 | 一种硝酸钾联产氯化铵生产中反应热综合利用系统及方法 |
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2013
- 2013-09-23 WO PCT/BR2013/000381 patent/WO2014043776A1/pt active Application Filing
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|---|---|
| BR102012025224B1 (pt) | 2016-03-01 |
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