BRPI0903727B1 - Módulo combustor de massa sólida pelletizada - Google Patents

Description

“MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”.

Refere-se a presente invenção a um módulo queimador de combustível sólido pelletizado, constituído por uma câmara de combustão de chama aberta, dotada de um berço composto por tubos cilíndricos perfurados longitudinalmente e dispostos em forma de grelha inclinada, sendo os tubos insuflados com ar proveniente de uma turbina de descarga tangencial, formando-se sobre a grelha, por meio da vazão de ar através dos furos dispostos em linha ao longo dos tubos, um colchão de ar capaz de manter a matéria combustível queimada suspensa em sentido ascendente, em leito fluidizado mínimo, enquanto matéria combustível nova é reposta sobre a grelha verticalmente e em sentido descendente, formando-se, juntamente com a ação de uma corrente de ar horizontal proveniente de uma divisão do fluxo de ar proveniente da turbina, um movimento contínuo de circulação e reposição de matéria comburente, possibilitando a retirada eficaz de toda a cinza gerada durante a combustão por percolação entre os vãos da matéria nova e da grelha, formando uma labareda projetada ausente de cinzas, fagulhas e de matéria combustível não queimada ou parcialmente queimada, permitindo ciclos intermitentes de queima de maior rendimento e potência final gerada, maior estabilidade do processo, possibilitando, inclusive, a utilização de pellets de diversas matérias orgânicas renováveis com uma exploração otimizada de seu poder calorífico, com redução de efeitos indesejados sobre o meio-ambiente em termos de gases e resíduos de combustão. A presente invenção pertence aos campos da engenharia mecânica e química, notadamente em ciclos termodinâmicos e tecnologia de exploração térmica de biomassa.

ESTADO DA TÉCNICA

Sistemas de combustão aberta para a geração de energia calorífica são largamente utilizados em todo o mundo, desde os mais remotos tempos e nas mais variadas situações de aplicação, tais como a geração de vapor em caldeiras, aquecimento de equipamentos de secagem, de dispositivos de conformação, de fornos, de ambientes e para o aquecimento de fluidos em geral. A potência demandada pela aplicação, bem como questões relativas ao custo de geração por kW, a disponibilidade e, em termos mais atuais, o meio-ambiente, a renovabiíidade e a sustentabilidade econômica, social e ambiental, determinam o tipo de equipamento queimador ideal e a natureza do combustível a ser utilizado.

Os combustíveis mais comumente empregados e ainda dominantes em alguns setores, são os derivados de hidrocarbonetos e, mais recentemente, fontes alternativas tem sido objeto de estudo, experiências e de crescente interesse devido ao anunciado esgotamento das matérias fósseis, previsto para a próxima década.

Dentre os combustíveis naturais sólidos em aplicação e constante aprimoramento, destacam-se o bagaço de cana-de-açúcar e capim-elefante, cascas de cereais, frutas, legumínosas, oleaginosas e árvores, palha e fibra de milho, lenha reflorestada, serragem, dentre outros, existindo os mesmos disponíveis em várias formas, sendo uma delas a forma seca, moída e compactada, conhecida por briquetes, ou sua versão granulada, os pellets.

Uma vez definido o escopo energético formado basicamente pela matriz que compreende pellets de biomassa, como combustível, e queimador de chama aberta, como explorador de energia calorífica, faz-se necessário avaliá-lo com mais critério e detalhamento.

Embora existam crescentes estudos e desenvolvimentos para a ampliação do espectro de combustíveis, as unidades combustoras atuais são, por limitações técnicas como o teor de cinzas, dimensionadas e projetadas para combustíveis específicos, ou melhor, para uma determinada matéria originária ou família específica de comburentes, tendo sua atuação limitada quando submetidas a combustíveis diferentes, o que atesta a relativa falta de flexibilidade, importantíssima tanto para a adequação do custo de geração ao fim almejado quanto para a matriz ecológica, por exemplo, para a rotação de culturas ou em tempos de escassez ou crises climáticas e econômicas. O teor de cinzas presente originalmente em cada tipo de combustível se torna um empecilho com respeito à utilização de diferentes e novas alternativas de comburentes, uma vez que combustores atuais de pellets de biomassa limitam-se a combustíveis com teores de cinza iguais ou inferiores a 1% (um por cento). Valores superiores a este, ocasionam problemas na qualidade da queima, cujos efeitos indesejados mais frequentes são a queda de rendimento e potência gerada e a formação de fuligem e fumaça, além da queima apenas parcial de parte da matéria combustível alimentada à fornalha.

Estas limitações técnicas citadas são ainda mais amplas se considerarmos a exploração do poder calorífico de cada tipo de combustível, ainda insuficiente em termos de rendimento por quilograma ou tonelada queimada, lembrando que a matéria pelletizada é subministrada ao queimador ciclicamente, de acordo com o volume da câmara de combustão e da capacidade de queima da unidade.

Além disso, tanto a qualidade da queima quanto o fluxo interno de resíduos não são ideais, havendo um excedente de cinzas e de material não queimado não retirado a cada ciclo e misturado à matéria nova alimentada ciclicamente, o que reduz em muito a potência gerada, provocando interrupções parciais igualmente cíclicas na combustão e demandando a ignição constante do combustível, por conta do incremento da energia de ativação a ser transposta em cada novo início de queima, havendo a necessidade de se sustentar a queima por meios auxiliares e dispendiosos, como chamas piloto a gás ou mesmo resistências elétricas.

Existem diversas tentativas para melhorar o aproveitamento calórico da queima de pellets de biomassa a partir da melhora do fluxo de ar da câmara de combustão, como nos ilustra, por exemplo, o modelo de utilidade de n° MU8702268-0, depositado em 07/12/2007, o qual sugere o insuflamento de ar na câmara de combustão de modo turbiíhonado e direto sobre a matéria em combustão o que, para os especialistas no assunto, melhora, porém não elimina os problemas até então mencionados com respeito à qualidade dos fluxos internos de ar, combustível e cinzas.

Outra proposta é a sugerida pela invenção de número PI0400436-1, depositada em 18/03/2004, apresentado uma tubulação adicional de água conduzida pelo interior da câmara de combustão para incrementar a exploração de calor e ainda gerar vapor, ocasionando, porém, incremento de custos e não resolvendo de forma eficaz as questões relativas ao fluxo interno de ar, combustível e cinzas.

Existem ainda soluções que apresentam grelhas móveis, outras que dispõem de ventoinhas ou turbinas montadas verticalmente, citando apenas algumas alternativas que, por conta de suas limitações técnicas, deixam a desejar quanto ao fluxo interno de matérias. A presença de cinzas, fagulhas e material não queimado ou apenas parcialmente queimado, é extremamente danoso para o rendimento da queima e mais ainda para os sistemas subseqüentes à câmara de combustão aberta, como serpentinas e dutos de ar. Além do risco de incêndios e da formação de fumaça em coluna descendente, ocorrem o encardimento, a deterioração e o entupimento de dutos e frestas, resultando em intervalos de manutenção de maior freqüência o que, consequentemente, aumenta os custos operacionais.

Outro problema encontrado diz respeito às características higroscópicas de muitas biomassas, resultando em umidificação ou adição de água dos granulados e redução da retirada de energia térmica, pois parte importante da energia é consumida para a evaporação da umidade.

Todas as dificuldades mencionadas até então deixam evidente o motivo pelo qual queimadores de pellets de biomassa ainda são utilizados em pequena escala e porque ainda não são alternativas viáveis e suficientemente flexíveis para a substituição dos outros modelos atualmente empregados.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

“MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, objeto da presente invenção, no intuito de solucionar os problemas relacionados ao atual Estado da Técnica, apresenta uma solução otimizada para o incremento da exploração da potência calorífica de biomassa compactada e granulada, gerando energia térmica por combustão a custos economicamente interessantes por kWh (ou kJ ou kcal) produzido, partindo das seguintes premissas: A) Módulo combustor compacto com capacidade de geração superior aos similares disponíveis de igual dimensão, ampliando o leque de aplicações e permitindo o uso em sistemas industriais de médio e grande porte; B) Módulo combustor compacto com capacidade de geração a partir de diversos tipos de combustível biológico; C) Módulo combustor capaz de operar inclusive com combustíveis de teor de cinzas superior a 1%; D) Módulo combustor dotado de fornalha com fluxo interno otimizado e constante de ar, matéria combustível e cinzas; E) Módulo combustor de rendimento de queima nunca inferior a 97%, ou η = 0,97, onde “η” representa a relação direta entre a quantidade de combustível oxidada e a originalmente fornecida; F) Módulo combustor dotado de fornalha capaz de realizar a queima de material pelletizado seco ou parcialmente umidificado, sem resultar em significativas perdas de rendimento.

Para tanto, vale-se o objeto da presente de vários fundamentos mecânicos, termodinâmicos e químicos, além dos resultados práticos de testes exaustivos de protótipos funcionais, residindo a questão fundamental na otimização dos fluxos internos da câmara de combustão. A criação de um fluxo misto e otimizado de ar, matéria combustível e cinzas só é possível a partir da perfeita combinação e sintonia das fontes fornecedoras de cada elemento. A subministração de ar para a queima e para a projeção da chama é feita por meio de uma turbina de descarga tangencial, devendo, porém, haver um circuito de condução deste ar dotado de bifurcações pãra a perfeita administração da dosagem necessária para cada estágio da queima. A presença de cinzas, bem como de matéria não queimada ou mal queimada é um enorme empecilho para o rendimento do processo, podendo ser evitada por meio da introdução na grelha de um leito de fluidização mínima, permitindo manter parte da cinza em suspensão rente à superfície da grelha e outra parte permeando por entre os vãos ou deslizando por sobre a grelha inclinada, ou seja, mantendo a matéria residual em movimento contínuo e removendo-a a câmara. A suspensão de parte da cinza é obtida através de furos de pequeno diâmetro dispostos ao longo dos elementos tubulares da grelha. Parte do ar proveniente da turbina de ar é desviada para o interior dos tubos da grelha, fechados na extremidade oposta à da alimentação de ar, forçando a passagem da corrente de ar pelos orifícios das furações, criando um colchão de ar. A inclinação da grelha é ascendente em direção à desembocadura da chama, forçando o deslizamento das cinzas para o início da grelha e depois para a caixa acumuladora, situada no fundo da câmara. O carregamento intermitente de combustível novo deverá ocorrer em sincronia perfeita com a finalização da queima da carga anterior, sendo a nova carga despejada no interior da câmara de combustão, misturando-se com parte das cinzas em suspensão e forçando-a para baixo e por entre os vãos da grelha, configurada de modo a evitar a passagem de granulado.

Desta forma, e com uma grelha de disposição geométrica adequada e inclinação correta, criar-se-á um ciclo contínuo, eficiente e eficaz de alimentação, combustão, retirada de cinzas e de renovação de material combustível.

Testes práticos de fácil reprodução e com materiais usuais de mercado comprovaram as considerações acima e resultaram em modelos compactos de queimador, obtendo-se com pellets de capim do gênero brachiaria, de poder calorífico “a” médio de 4.000 kcal/kg (a = 4.000 kcal/kg), com teor de cinzas superior a 1 % e umidade de 8%, com os seguintes resultados: 1) Potência gerada superior a 3.000kW (ou 3.000 kJ/s), 2) Volume de queima próximo a 17 kg/min e 3) Rendimento de queima de 97,5% (η = 0,975).

Testes adicionais foram realizados utilizando- se combustíveis com teores de cinzas de até 6%, obtendo-se resultados similares aos apresentados acima, comprovando a flexibilidade do objeto do presente. A magnitude e importância destes resultados se faz evidente quando comparada aos resultados obtidos com unidades de mesmo porte dimensional, fabricadas e comercializadas pelo maior especialista mundial do ramo, testadas com o mesmo combustível e em condições ambientais iguais, os quais foram: 1) Potência gerada entre 550 e 1.000 kW (ou 1.000kJ/s), 2) Volume de queima entre 3 e 5 kg/min e 3) Rendimento máximo de queima de 96% (Π = 0,96).

Estes animadores resultados incentivaram o inventor a iniciar testes com unidades compactas, baseadas no princípio objeto do presente, em unidades de aquecimento de maior porte, obtendo grande sucesso.

Isto posto, apresenta-se o “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA” como uma unidade queimadora de combustível de biomassa vegetal pelletizada compacta e de alto rendimento, flexível ao tipo de combustível vegetal utilizado, estrutura de simples configuração, manutenção e montagem, comprovando seu caráter de novidade, atividade inventiva e aplicação industrial, justificando seu total enquadramento no âmbito das Patentes de Invenção.

Para melhor entendimento e visualização do objeto da presente invenção, representam os desenhos anexos o “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, como segue: A Fig.1 representa uma vista posterior em perspectiva do módulo objeto da presente patente , evidenciando seus elementos componentes principais; A Fig.2 representa uma vista anterior em perspectiva do módulo objeto da presente patente, evidenciando a câmara cilíndrica de combustão e a grelha tubular; A Fig.3 representa uma vista posterior da caixa difusora de ar, evidenciando as furações, disposição dos tubos da grelha e chapa defletora de alimentação de combustível; A Fig.4 representa uma vista ínfero-anterior em perspectiva do módulo objeto da presente patente, evidenciando a câmara de combustão e seus componentes internos; A Fig.5 representa uma vista ínfero-posterior em perspectiva da câmara de combustão e da face flangeada central, sem a grelha tubular, evidenciando a abertura inferior para descarte de cinzas; A Fig.6 representa uma vista súpero-frontal em perspectiva da grelha da câmara de combustão, evidenciando a disposição dos furos dos tubos da grelha, bem como a orientação dos centros dos mesmos em direção ao centro de uma semi- elipsóide imaginária formada pela interligação das linhas centrais (5e) seqüenciais dos ditos furos, evidenciando igualmente, em efeito de lupa, o vão entre os tubos da grelha; A Fig. 7 representa uma vista lateral parcial de um exemplo de acoplamento e instalação do módulo objeto da presente patente em unidade térmica pré-existente, evidenciando a flexibilidade da modularidade proposta.

DESCRICÃO DETALHADA

“MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, objeto da presente invenção, de conformidade com o quanto representam as figuras acima relacionadas, constitui-se por um módulo combustor (1) dotado de uma caixa difusora de ar (2) e de uma câmara cilíndrica de combustão (3), unidas entre si e possuindo uma face flangeada central (4), cuja borda perimétrica externa (4a) é dotada de configuração geométrica tal que permite a fixação do módulo combustor (1) por parafusos (PF) em unidades de aquecimento de sistemas termodinâmicos, ou seja, unidades térmicas (UT) pré- existentes e já instaladas ou pertencentes a novos projetos e unidades. A caixa difusora de ar (2) possui uma turbina (2a) de descarga tangencial disposta em sua parte posterior, acoplada a um motor (2b) montado sobre uma plataforma de apoio (2c), sendo que a turbina (2a) insufla ar captado do ambiente externo para o interior da caixa difusora (2) através de um duto de entrada (2d), sendo o volume de ar conduzido para a câmara cilíndrica (3) através de diversas entradas de ar da face flangeada central (4). A câmara cilíndrica de combustão (3) é formada por um manto externo (3a) e um manto interno (3b), concêntricos, sendo a extremidade anterior do manto interno (3b) dotada de furos de passagem (3c), que direcionam parte do ar advindo da caixa difusora (4) para o interior da câmara cilíndrica de combustão (3) e o restante para a saída da chama (3d), ocasionando turbilhonamento adicional próximo à base da chama, melhorando o desempenho da queima. A face flangeada central (4) possui em sua parte superior interna uma coroa de furações (4b) para a formação e direcionamento da chama, cujo furo central (4c) coincide com o eixo central da câmara cilíndrica (3), além de furos laterais (4d) para a alimentação de ar do espaço anelar formado por manto externo (3a) e interno (3b) da câmara de combustão (3).

Na mesma face flangeada central (4), encontra-se disposta uma chapa defletora (4e) para a regulagem da alimentação de combustível subministrada pela tubulação de alimentação (2e), ocorrendo a inserção por turbilhonamento do material sólido no interior da câmara de combustão (3).

Fixados à face flangeada (4) estão os tubos (5a) da grelha (5), dotados de furos (5b), alinhados e enfileirados ao longo dos tubos (5a), sendo radialmente dispostos e providos de linha central apontando para o centro de origem (5c) da semi- elipsóide (5d) imaginária formada pela interligação das linhas centrais (5e) seqüenciais dos furos (5b) dos tubos (5a) da grelha (5). A dita grelha (5) possui seus tubos (5a) alinhados em direção à saída da chama (3d), sendo seus eixos centrais paralelos uns aos outros ou formando pequenos ângulos entre si, uma vez que a grelha (5) é inclinada ascendentemente em direção à saída de chama (3d), formando um berço de queima inclinado e arredondado.

Os vãos (5f) entre os tubos (5a) da grelha (5) devem ser sempre menores do que o diâmetro mínimo da matéria pelletizada, padronizado e informado previamente pelo fabricante dos pellets, para possibilitar a passagem das cinzas e a queda destas, por gravidade, para o interior de um compartimento de cinzas a ser disposto sob a abertura inferior (3e) da câmara cilíndrica (3), podendo esta abertura inferior (3e) ser fornecida com uma tampa de serviço (3f).

Para melhor detalhamento da proposta de operação otimizada do objeto da presente invenção, dar-se-á a descrição da seqüência de queima do "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, partindo-se de uma câmara de combustão (3) repleta de matéria pelletizada já inflamada, por exemplo, através de chama piloto ou resistência elétrica, convencionalmente utilizados em queimadores. A matéria comburente fresca é introduzida na câmara (3) por meio da tubulação de alimentação (2e), passando pela chapa defletora (4e) e sendo soprada sobre o leito de fluidização mínima, leito este formado sobre a superfície curvada da grelha (5) por conta da corrente de ar proveniente dos furos (5b) dos tubos (5a), em corrente ascendente e movida em direção ao centro de origem (5c) dos furos (5b).

Sobre este leito fluidizado já se encontram suspensas cinzas da matéria consumida no início da operação, a qual é pressionada pela matéria fresca em início de combustão para baixo e por entre os vãos (5f) da grelha.

As correntes de ar advindas da coroa de furações (4b) e do furo central (4c) da face flangeada (4), provocam a projeção da chama em direção horizontal e no sentido da saída de chama (3d), sendo o turbilhonamento necessário obtido por meio de ar e combustível projetados através da chapa defletora (4e) perpendicularmente ao eixo central da câmara de combustão (3). O ar proveniente dos furos laterais (4d), por sua vez, é guiado pelo vão anelar formado entre o manto externo (3a) e interno (3b) da câmara de combustão (3), desembocando na saída de chama (3d) e provocando novo turbilhonamento de ar e chama por meio da ação combinada dos furos de passagem (3c) e do encontro deste fluxo com o fluxo gerado a partir da coroa de furações (4b) e furo central (4c).

Uma vez consumida a carga de material comburente, alimenta-se novamente a câmara de combustão (3), repondo matéria pelletizada que cairá sobre a região da grelha (5) e as cinzas em suspensão sobre a corrente de ar dos furos (5b) dos tubos (5a) da grelha (5), enquanto as correntes de ar descritas acima se incumbem de manter ativo o fluxo de ar e a constância da chama.

Forma-se um fluxo combinado de ar, material fresco e cinzas, permitindo tanto a queima uniforme de material fresco subministrado quanto o descarte constante de material integralmente queimado, bem como a manutenção ininterrupta de uma chama direcionada para o exterior da câmara (3) e para o interior da unidade térmica a ser aquecida.

Claims (7)

1. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, para acoplamento modular em unidades térmicas (UT) pré-existentes e instaladas ou novas, caracterizado por ser o dito módulo combustor (1) fornecido em uma só peça compacta, dotada de caixa difusora de ar (2), câmara cilíndrica de combustão (3), face flangeada central (4) e grelha tubular (5).

2. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com a reivindicação 1, em que a dita caixa difusora de ar (2) é dotada de turbina (2a) de descarga tangencial, motor (2b) de acionamento, plataforma de apoio (2c), duto de entrada (2d) e tubulação de alimentação (2e), e caracterizada por ser a caixa difusora de ar (2) acoplada diretamente à câmara cilíndrica de combustão (3) por intermédio de uma face flangeada central (4).

3. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita câmara cilíndrica de combustão (3) é dotada de saída de chama (3d) e abertura inferior (3e) e caracterizada por ser dotada de mantos concêntricos, chamados manto externo (3a) e manto interno (3b), sendo o manto interno (3b) dotado de furos de passagem (3c), radialmente dispostos em sua extremidade anterior próxima à saída de chama (3d).

4. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, de acordo com a reivindicação 1, em que a face flangeada central (4) é caracterizada por ser dotada de borda perimétrica externa (4a), coroa de furações (4b), furo central (4c), furos laterais (4d) e chapa defletora (4e).

5. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, de acordo com as reivindicações 1 e 4, em que a dita chapa defletora (4e) é caracterizada por ser disposta de modo a direcionar o fluxo de combustível advindo da tubulação de alimentação (2e) em eixo perpendicular ao plano horizontal e em sentido descendente.

6. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita grelha tubular (5) é inclinada ascendentemente em direção à saída de chama (3d) e caracterizada por constituir-se de um berço ou leito de queima formado por tubos (5a) dotados de furos (5b) insuflados por ar proveniente da caixa difusora de ar (2), distanciados entre si por vão (5f).

7. “MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA”, de acordo com as reivindicações 1 e 6, em que os ditos furos (5b) da grelha tubular (5) são caracterizados por ser radialmente dispostos ao longo dos tubos (5a) e dotados de linha central (5e) apontando para o centro de origem (5c) de uma semi-elipsóide (5d) formada pela interligação das linhas centrais (5e) seqüenciais dos furos (5b) dos tubos (5a) da grelha (5).