PT97251A - Metodo e equipamento para gerar calor e electricidade num moinho de polpa de processamento pelo sulfato - Google Patents

Description

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Descrição referente â patente de invenção de A. Ahlstrom Corporation, finlandesa, industrial e comercial, com sede em SF-29600 Noormarkku, Finlândia, (inventores: Olli Arpalahti e Jukka Pek-kimen, residentes na Finlândia), para "MÉTODO E EQUIPAMENTO PARA GERAR CALOR E ELECTRICIDADE NUM MOINHO DE POLPA DE PROCESSAMENTO PELO SULFATO".

DESCRIÇÃO A presente invenção refere-se a um método e equipamentos para a geração de calor e electficidade por meio da gaseificação pressurizada do licor negro utilizando a tecnologia jHa centrd. de ciclo combinado numa industria de pasta de papel pe lo processo do sulfato. 0 licor negro ê gaseificado num estado pressurizado num gáseificador por meio de ar pressurizado num compressor. Os gases assim produzidos são purificados e queimados na câmara de combustão da turbina a gãs, por meio do ar pres surizado do compressor. Os gases de escape formados na câmara de combustão são expandidos na turbina a gãs para a produção de e-lectricidade. A partir da turbina a gãs os gases são adicionalme nte conduzidos a uma caldeira de recuperação de calor onde é gerado vapor sofrre-aquecido a alta pressão, o qual ê depois expandido numa turbina de vapor para a produção de electricidade. 0 vapor de escape da turbina a vapor ê utilizado para cobrir as ne cessidades de calor da indústria da pasta de papel.

Numa indústria da pasta de papel o vapor ê tam . bém normalmente gerado numa caldeira auxiliar onde se queima cas * ca de ãrvore, resíduo da madeira ou outro combustível. 1 ί

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I j A produção da pasta de papel pelo processo do sulfato ê o método mais importante de fabrico da pasta de papel no mundo. A sua repartição era de aproximadamente 58% da pasta produzida em 1987. As necessidades de calor e electricidade das industrias de pasta de papel pelo processo de sulfato têm dimi-nuido continuamente durante os últimos anos, como resultado do trabalho desenvolvido e, hoje, o fabrico de pasta de papel pelo processo do sulfato e auto-suficiente relativamente â energia ar pelo menos, relativamente ao calor do processo.

Na Finlândia, a necessidade media anual de calor dum processo de pasta de papel por sulfato i de aproximada- i mente 10 000 a 13 000 MJ/tm e a necessidade média anual de elec tricidade de aproximadamente 1900 a 2900 MJ/tm. As necessidades de electricidade e calor variam de acordo com as estações do ano isto é, com as temperaturas exteriores. A diferença entre os con sumos médios nominais de calor no Inverno e Verão pode ser de guase 20% e entre os consumos nominais de electricidade de aproximadamente 6%. Numa indústria de pasta de papel a energia ê pro duzida principalmente pela combustão do licor negro numa caldeira de recuperação e resíduos de madeira e casca de arvore numa caldeira auxiliar. A matéria prima casca de madeira utilizada no ^processo e a matéria orgânica do licor negro em conjunto cobrem normalmente a necessidade total de energia. Se for necessária mais energia, devem ser comprados electricidade ou combustível adicionais. O combustível adicional é queimado com a casca de ãrbore na caldeira auxiliar. A electricidade ê consumida nas centrais de cozimento, lavagem, branqueamento e evaporação, primariamente para a bombagem do licor negro, água e pasta e para o transporte das aparas. Adicionalmente a secção de secagem consome electrici dade para os acionadores e ventilação na secção. A electricidade e também consumida na iluminação e no tratamento da água do processo e águas residuais.

Num processo da pasta de papel pelo processo do sulfato, o calor ê necessário para induzir e aumentar a velo-. cidade das reacções do processo desejadas. Na unidade de cozimen 2

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to, por exemplo, o calor ê necessário para aquecer o licor negro e para os sistemas de circulação de aparas. Durante o processo de cozimento, as aparas e o licor de cozimento são aquecidos â temperatura de cozimento, indirectamente com vapor a pressão ele vada. Na secção de secagem permanece aproximadamente 29% do calo r consumido. A unidade de evaporação ê o maior consumidor de calor de todos os processos separados. Ê responsável por 31% g ^o consumo total de energia duma indústria de pasta de papel sul] ^^fato. 0 calor secundário obtido na unidade de evaporação ê sufi j ciente para produzir a água quente (40°C) necessária â indústria de pasta de papel pelo processo de sulfato. A central na indús tria da pasta de papel i responsável por aproximadamente 18% do consumo de electricidade e aproximadamente 10% do consumo de calor. Aetualmente a energia e produzida pelo método seguinte: uma caldeira de recuperação e uma caldeira auxiliar, onde se queima resíduos de cascas do processo, geram vapor sobre-aquecido a alta pressão. 0 vapor assim produzido ê forçado através duma turbi na/turbinas de vapor em contra pressão e o vapor libertado ê uti lizado para cobrir a necessidade de calor da indústria. A turbi na e o gerador assim ligados produzem a electricidade necessária indústria. A electricidade ê normalmente produzida por meio de uma turbina de contrapressão equipada com uma ou mais li nhas de sangria. A contrapressão ê normalmente de 3 a 4 bar e a pressão de sangria de 10 a 13 bar. A electricidade pode também ser gerada por uma turbina de condensação.

Existem processos diferentes de produção de va por e electricidade quando se queima conjuntamente licor negro e casca de árvore. É possível possuir turbinas de vapor separadas para cada caldeira, pelo que diferentes graus de sobreaqueci mento não causam problemas. Uma segunda alternativa ê produzir vapor possuindo o mesmo grau de sobre-aquecimento em ambas as caldeiras o que torna possível utilizar apenas uma turbina de va por sem quaisquer problemas. Uma terceira alternativa e continuar o sobre-aquecimento dos vapores de grau de sobreaquecimento inferior numa segunda caldeira de modo a obter-se o mesmo grau 3 de sobre-aquecimento para os vários vapores e ser apenas necessária uma turbina de vapor. Actualmente a eficiência de conversão na produção de electricidade ê de aproximadamente 20% nas in dústrias da pasta de papel. A caldeira de recuperação de carbonato de sódio desenvolve uma regeneração e processo de produção de energia seguros, mas o seu preço inicial ê elevado e a proporção entre o calor e a electricidade produzidas numa caldeira de recuperação ã desvantajosa nas industrias de pasta de papel pelo processo de sulfato, actualmente. A necessidade técnica ê melhor satisfeita com as caldeiras de recuperação do que anteriormente, porque o processo consome menos calor, mas a electricidade ê produzida com uma eficiência de conversão pobre. A caldeira de recuperação, i a instalação única mais dispendiosa do processo de pasta de papel por sulfato. Isto é devido aos materiais resistentes â corrosão utilizados e â grande dimensão da caldeira. As caldeiras possuem uma grande dimensão porque a transferência de calor ê pobre em comparação com as caldeiras convencionais, os volumes de gases queimados são grandes relativamente à capacidade térmica obtida e a caldeira pode muito facilmente ser destruída. A razão para a transferênci WÊk térmica pobre é o sujar das superfícies aquecidas provocado pelas impurezas nos gases de queima. Grandes volumes de gases de queima são provocados pela água existente no combustível. Para evitar a obstrução os tubos de aquecimento são dispostos relativamente longe uns dos outros o que torna também a caldeira maior As partículas dos gases de queima da caldeira de recuperação fim dem facilmente e aderem às superfícies aquecidas. Para evitar o risco de corrosão provocado pela temperatura elevada e o risco de obstrução, as temperaturas de sobre-aquecimento nas caldeiras de recuperação são menores do que noutras caldeiras de vapor, isto é, aproximadamente 720 a 770 K. A pressão do vapor fresco ê de aproximadamente 80 a 90 bar. Como um resultado das baixas temperaturas de sobre-aquecimento, a eficiência da conversão na produção de electricidade numa turbina a vapor ê baixa. Os aspec • tos anteriormente descritos tem sido a razão para os estudos de . longa duração sobre como se pode substituir a caldeira de recupe 4 ι / b, ) i 'Ι’ϊϊϊι iiWíWf1 ·**' ração convencional por processos novos. Ao longo do tempo têm si do investigadas um grande número de alternativas. 0 gue ê comum aos novos processos sugeridos é a separação da regeneração da pro dução de energia e a adaptação do combustível produzido âs centrais de ciclo combinado. 0 licor negro pode ser gaseificado por vários métodos diferentes. Os métodos mais populares em investigação, são, por exemplo, a gaseificação da fase sólida e gaseificação cia fase fundida. A temperatura do gás produzido na gaseificação ua fase sólida ê baixa, 850 a 950 K, na gaseificação da fase fun dida ê mais elevada, geralmente superior a 1150 K e, 1150 a 1300 K. A pressão não possui um impacto essencial na temperatura do gás produzido. O gãs purificado pode ser queimado numa caldeira convencional ou num processo pressurizado combinado com vista a produzir vapor e electricidade.

Numa gaseificação da fase fundida, o material fundida ê formado num reactor tal como uma caldeira de recuperação. 0 material fundido ê tratado pelo mesmo método como numa cai deira de recuperação. Os compostos orgânicos são pirolizados e gaseificados e formam um produto gasoso juntamente com o vapor tle agua.

Na gaseificação da fase sólida, a recuperação dos químicos é efectuada para uma temperatura baixa. 0 sulfito de sódio sólido é produzido quando a temperatura aumenta para um nível que exceda os 880 K e, teoricamente, consegue-se uma redução de 100% para uma temperatura de 1020 K. A gaseificação da fa se sólida do licor negro ê baseada num processo de pirôlise na qual o resíduo ê sólido e as substâncias de evaporação formam um gãs. O resíduo sólido ê composto por compostos inorgânicos de só dio e enxofre e de carvão animal. O carvão animal é gaseificado separadamente depois da pirôlise.

Uma das ideias mais promissoras é a gaseificação pressurizada do licor negro, a qual oferece uma oportunidade de aplicação da tecnologia das centrais de ciclo combinado na pro • dução de energia na indústria da pasta de papel. No processo das . centrais de ciclo combinado o licor negro gaseificado é utiliza- - 5 - w.-.ivaa.rstílitti-í'. -jLrr. do como um combustível ef se necessário, o combustível carvão ou gãs natural, para além de casca de árvore, podem ser utilizados como um combustível adicional. Os sistemas básicos no processo são um gaseificador, lavador a gãs, turbina a gãs e caldeira de recuperação de calor. A central de ciclo combinado ê adequada pa ra a produção de energia em muitos dos processos novos. A combus^ tão do gãs na turbina a gãs gera electricidade e produz ar pressurizado para os processos de combustão e gaseificação. Na caldeira de recuperação de calor, a electricidade ê gerada numa tur ^^bina a vapor pelo vapor produzido por transferência de calor dos gases de escape da turbina a gãs para o vapor de água em circula ção e o calor do processo ê produzido por meio de contra-pressão

Provou-se que a produção de electricidade e ca lor numa indústria de pasta de papel pelo processo do sulfato va ria consideravelmente, dependendo da estação do ano e da matéria prima madeira. A não ser que se tomem medidas adicionais, a gera ção de calor da indústria não encontra aplicação em todas as cir cunstâncias, devido âs variações anteriormente referidas. 0 quadro a seguir apresenta as quantidades do calor gerado em excesso numa indústria de pasta de papel pelo processo de sulfato quando os parâmetros são temperatura, classe «Ha madeira e razão da pressão do processo da turbina a gãs.

Classe da Madeira Temperatura K Razão da Pressão Calor em Excesso MJ/tm Bétula 253 20 80 Pinheiro 253 20 1360 Bétula 273 20 830 Pinheiro 273 20 2160 Bétula 293 20 1660 Pinheiro 293 20 3040 Bétula 253 30 0 Pinheiro 253 30 1090 Bétula 273 30 640 Pinheiro 273 30 1940 Bétula 293 30 1520 Pinheiro 293 30 2870

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Quadro 1. Calor em excesso numa indústria de pasta de papel pelo processo de sulfato como uma função da classe da madeira, razão de pressão e temperatura.

Um objectivo da presente invenção ê proporcionar um método de troca entre a razão de produção de calor e produção de electricidade numa indústria de pasta de papel pelo pro cesso de sulfato de tal forma que o processo de pasta de papel I por sulfato possa ser auto-suficiente em electricidade e não pro jpluza mais vapor do que o necessário para o processo.

Outro objectivo desta invenção ê o de proporcionar uma melhor eficiência de conversão na produção de electri cidade numa indústria de pasta de papel pelo processo de sulfato sem ser produzido simultaneamente um excesso de calor.

Um objectivo adicional da invenção i assim de, em adição ao aumento da produção de electricidade, proporcionar uma igualização entre o consumo de calor e a produção de calor.

Para se conseguirem os objectivos aqui anteri-ormente mencionados, o método, de acordo com a invenção, de produção de calor e electricidade por meio da gaseificação pressuri zada dch licor negro utilizando uma tecnologia de control de ci-^:lo combinado numa indústria de pasta de papel pelo processo de sulfato ê caracterizado por - uma quantidade ajustável do vapor de injecção ê introduzi do numa turbina a gás; - uma quantidade do vapor, correspondendo essencialmente ao consumo de calor da indústria de pasta de papel pelo processo de sulfato em várias condições, isto ê, o consumo do vapor de escape a partir da turbina a vapor, ê conduzi do através da turbina a vapor e - a quantidade do vapor gerado em excesso na central de ciclo combinado ê transformado em electricidade por injecção deste como vapor de injecção na turbina a gás.

Assim, uma turbina a gás com injecção de vapor ' proporciona uma solução para ajustar a razão entre a produção de • calor e a produção de electricidade. A injecção de vapor propor- 7

ciona um método para melhorar a eficiência da turbina a gãs. O vapor ê, de acordo com a invenção, conduzido através da turbina a vapor, na industria da pasta de papel, apenas como um prolonga mento correspondente ao consumo de calor da central e, o excesso de vapor ê utilizado, de preferência, totalmente como vapor de injecção na turbina a gãs, para melhorar a sua eficiência. Assim a central está sempre em equilíbrio com o calor, e apenas a produção em excesso de electricidade pode variar. Por injecção do ^urapor, a produção de electricidade pode ser aumentada considera-^^elmente, pelo que a industria de pasta de papel se torna, neste método, uma central elêctrica. É vantajoso para a operação da turbina a gãs que a quantidade de ar comprimido no compressor seja tal que ........l. tenha principalmente uma temperatura constante e um caudal de massa constante na turbina a gãs, sem restrição de quantidades diferentes de vapor injectado. Ê vantajoso para a eficiência da turbina a gãs operar a turbina a gãs com um mesmo caudal de massa, sendo permitida a variação de aproximadamente 20% no máximo. Para este efeito de estrangulamento, muitos sistemas da turbina a gãs são proporcionados com uma série de válvulas guia dispostas no compressor. Assim, a invenção refere-se a um método para ^^justar a produção de calor no processo de pasta de papel por sulfato para corresponder ao consumo de calor, por injecção do vapor em excesso na câmara de combustão da turbina a gãs ou no seu gãs de escape. A invenção proporciona um método por meio do qual uma grande quantidade do vapor pode ser bem produzido a par tir do calor residual e por arrefecimento do gãs produzido e tam bêm por combustão da casca de ãrvore, resíduo de medeira ou outro combustível, porque grandes quantidades do caudal de vapor em excesso não necessário na industria da pasta de papel pelo processo do sulfato pode ser injectado na turbina a gãs. 0 vapor de injecção injectado na turbina a gãs ê, de preferência recolhido a partir da caldeira de recuperação de calor mas pode também ser recolhido a partir do sistema de vapor da caldeira au xiliar ou a partir do sistema de vapor comum âs caldeiras de recuperação de calor e auxiliar. 0 vapor de injecção é injectado na câmara de combustão da turbina ou nos gases de escape que de- 8 4 Ϋ

fÚíul&l-iZJS?'· '—r- s|l§3*£^«.,.......... la se libertam. A pressão do vapor tem de ser suficientemente elevada para uma injecção com sucesso no gás pressurizado.

Nina processo de acordo com a invenção, não são necessários arranjos especiais na caldeira de recuperação de calor porque os gases de escape da turbina a gãs são limpos. Se necessário, por exemplo, para melhorar o sobre-aquecimento do va por, a caldeira pode se provida com queimadores para a combustão de combustível comprado, em adição ao gãs produzido no próprio processo da industria do papel. Numa central de ciclo combinado ό vapor fresco pode ser sobre-aquecido a um grau mais elevado do que numa caldeira de recuperação porque, numa central de ciclo combinado, os gases de escape são purificados antes da turbina a gãs e não existem problemas causados por gases sujos. A invenção proporciona, especialmente, um método de troca entre a razão de produção de calor e de produção de electricidade numa industria de pasta de papel pelo processo do sulfato, de acordo com as condições prevalecentes e com base nos diferentes parâmetros do processo. As condições variam, por exemplo, a temperatura exterior (estações do ano), classe da madeira e teor de sólidos secos do licor negro a ser gaseificado. A escolha da turbina a gãs tem um impacto na eficiência de conversão na produção de electricidade e na razão electricidade/ca-lor porque ela define a temperatura do gãs antes da turbina e as características de pressão da turbina.

As características de pressão da turbina a gãs são um parâmetro importante. Um aumento na razão de pressão provoca o abaixamento da temperatura dos gases de escape da turbina a gãs, se os outros parâmetros, excluindo a razão de pressão, se mantiverem constantes. Daqui resulta uma pressão e temperatura mais baixas do vapor fresco e, consequentemente, é produzida menos electricidade pela turbina de vapor. Quando a razão de pressão aumenta e produzida mais electricidade pela turbina a gãs porque a temperatura dos gases de escape pode ser mais baixa.

As válvulas de turbina da turbina a gãs não su . portam temperaturas elevadas. Assim, o gãs de queima tem de ser * recolhido antes da turbina. Geralmente, efectua-se o arrefecimen 9

to pela mistura de ar em excesso com os gases de combustão. Uma desvantagem deste método ê uma quantidade aumentada de ar que passa através do compressor, que diminui a eficiência de conversão na produção de electricidade, na turbina a gás. A quantidade de ar arrefecido pode ser diminuída pela sua substituição por vapor de injecção. Assim, a eficiência de conversão na produção de electricidade na turbina a gás ê também melhorada. A temperatura dos gases de queima antes da tubaria é actualmente de 1350 a 1500 K. Podem conseguir-se temperaturas mais elevadas com vãl-Évulas cerâmicas. Aumentar a temperatura de entrada da turbina significa que o coeficiente de ar se torna menor, isto é, é necessário menos ar de combustão. Por isso, as necessidades de e-nergia do compressor tornam-se inferiores. Os benefícios ganhos na eficiência de conversão na produção de electricidade e na quantidade do calor utilizado pelo processo determina-se o investimento nestas organizações especiais ê lucrativo. A temperatura tem impacto, através da temperatura dos gases de escape, sobre a pressão e temperatura do vapor fresco e, adicionalmente, sobre a produção de electricidade e calor. A necessidade de calor do processo de pasta de papel por sulfato varia, dependendo da temperatura exterior e, Λ r:onsequentemente, provoca flutuações no caudal da massa que pas-" " a através da turbina da vapor e na quantidade do vapor de injec ção. As variações da temperatura exterior também fazem variar a temperatura do ar que entra no compressor e na composição do gãs produzido obtido no passo de gaseificação. 0 teor de sólidos secos do licor negro a ser gaseificado tem um impacto na composição e no calor do gãs produ zido obtido do passo de gaseificação. Um aumento no teor de sólidos secos também aumenta a produção de calor na combustão do licor negro. 0 teor de sólidos secos do licor negro tem também um grande significado na operação do evaporador e outro equipamento para o tratamento do licor negro. Um aumento no teor de sólidos secos aumenta o consumo de calor no evaporador devido â maior quantidade de água que tem que ser evaporada e também devido ãs incrustações nas fases de evaporação e devido às varia-. ções rias propriedades do licor negro. Adicionalmente, as varia-1 ções nas propriedades do licor negro afectam o consumo de elec- 10 h tricidade. A quantidade de calor adicional produzido, no entanto, excede consideravelmente a quantidade de calor adicional necessário para a evaporação. A base do método, de acordo com a invenção, i, no entanto, a de gerar apenas o calor de processo na quantidade que ê necessária para o processo de pasta de papel por sulfato.

Se o consumo de calor do processo é menor do que a quantidade de calor produzido, o vapor em excesso, e injec ±ado nos gases de queima. A quantidade de vapor produzido pela Oaldeira de recuperação de calor e caldeira auxiliar pode ser calculada de forma relativamente simples quando a gama de temperaturas da caldeira e a tempera e pressão do vapor fresco desejado são conhecidas.

Relativamente aos parâmetros anteriormente men cionados, a quantidade de calor necessário na indústria da pasta de papel e a quantidade correspondente de vapor de pressão elevada, podem ser calculados. A diferença entre as quantidades pro duzidas e consumidas de vapor de pressão elevada, define a quan tidade de vapor de injecção. A eficiência de conversão da produção de electricidade pode ser calculada com base na eficiência elêctrica produzida pelas turbinas a vapor de gás. ÉP A injecção de vapor no gás de combustão ã en trada da turbina de gás baixa a temperatura do gás de combustão. Assim os pré-requisitos para manter a temperatura do gás, â entrada da turbina a gás, constante são que a quantidade de ar com primido através do compressor seja regulada na proporção do vapor injectado. Em várias turbinas a gás, uma série de válvulas guia ajustáveis são dispostas no compressor. A saída do compressor pode sér regulada por meio dessas válvulas. Uma gama econé-mica de ajuste é bastante estreita, de 80 a 100%. No entanto, estabeleceu-se que esta gama de ajustamento ê suficiente em métodos de acordo com a invenção. Na gama de -20° a + 20°C da temperatura de saída, a gama de ajustamento ê exactamente a anterior mencionada de 80 a 100% se a produção da indústria ê constante. Nas indústrias que processam pasta de madeira macia simples * de pasta de bétula simples, a gama ê mais apertada, de 86 a 100% ·__ Com a pasta de bétula, a produção nominal da indústria ê, no en- 11 frl «K-wejr -v.—.v.-.x tanto, de aproximadamente 17% mais elevada do que com a pasta de madeira macia devido ao rendimento mais elevado da pasta. Isto não altera a gama do caudal de ar do compressor, apenas o mínimo e o máximo são alterados. Com a mesma velocidade de produção e com diferentes classes de madeira, uma quantidade mínima de ar através do compressor i necessária para a produção de pasta de bétula quando a temperatura exterior i elevada (+20°C). Se a velocidade de produção ê 17% mais elevada com a pasta de bétula como anteriormente mencionado, a quantidade mínima de ar compri-^taiido através do compressor pode aumentar e isto pode conseguir--se no processamento de pasta de madeira macia quando a temperatura exterior ê elevada.

Na prática, as indústrias da pasta de papel operam sempre para a capacidade máxima se a situação do mercado assim o permitir. A produção da indústria ê mais elevada com pass ta de bétula do que com pasta de madeira macia. Em certas condições, quando se opera a uma capacidade parcial, podem surgir dificuldades no equilíbrio da produção e consumo de calor quando é necessário a gama de ajustamento total do compressor, â veloci dade máxima, para compensar as variações nas classes de madeira e temperaturas exteriores. Com apenas uma classe de madeira, es-£a dificuldade ê muito menor, especialmente se a indústria esti-er localizada numa área onde a temperatura exterior i relativamente estável. A invenção ê descrita adicionalmente, em grande pormenor, a seguir, com referência aos desenhos que a acompanham onde:

Fig. 1 e uma ilustração esquemática de um processo de central de ciclo combinado, numa indústria de pasta de papel pelo processo do sulfato, de acordo com a invenção,

Fig. 2 indica a quantidade de vapor injectado como uma função da temperatura exterior,

Fig. 3 indica a quantidade de ar comprimido através dum compres sor como uma função da temperatura exterior, e

Fig. 4 indica a eficiência de conversão da produção de electri-cidade como uma função da temperatura exterior. 12

~ A Fig. 1 ê um diagrama de uma central de ciclo combinado ligada a uma industria de pasta de papel pelo processo do sulfato, na qual a energia ê produzida pelo método de acordo com a invenção. 0 licor negro e gaseificado num gaseificador 10, donde os gases quentes são introduzidos em arrefecedores 12 e 14 do gãs produzido, para arrefecer o gãs a uma temperatura adequada para a purificação do gãs. Depois dos arrefecedores, os gases são adicio-nalmente conduaidos a um purificador de gãs 16, onde os gases são suficientemente purificados para o funcionamento da turbina Éã gãs.

Os gases purificados são introduzidos na câmara de combustão da turbina a gãs 18, onde são queimados para formar gases de escape pressurizados quentes. 0 ar de combustão pressurizado i introduzido na câmara de combustão a partir dum compressor 20 por uma conduta 22. A conduta 24 conduz o ar do compressor também para o gaseificador 10. A quantidade de ar de alimentação pode ser re guiada por exemplo por regulação das válvulas do compressor. A quantidade de ar que entre na câmara de combustão é também regulada de acordo com outros, parâmetros do processo para manter a temperatura dos gases de escape que entram na turbina a gãs e, de preferência, também manter praticamente constante o caudal de jiiassa. Os gases de escape da câmara de combustão são conduaidos "*or via da conduta 26 para a turbina a gãs 28 a qual produz elec tricidade num gerador elêctrico 30. O compressor 20 ê montado no mesmo eixo da turbina a gãs de forma que a 'turbina a gãs ou uma sua secção também conduza ao compressor.

Os gases de escape da turbina a gãs são conduzidos pela conduta 32 para uma caldeira de recuperação de calor 34, onde o calor contido nos gases ê recuperado na forma de vapor de alta pressão sobre-aquecido. O sistema de vapor/ãgua da caldeira de recuperação de calor inclui as partes seguintes: pré -aquecedor de ãgua 58, no qual ê introduzida a ãgua de alimentação, eyaporador 56, tambor de vapor 50 e sobre-aquecedor 48. 0 calor libertado no arrefecimento do gãs produzido pelo gaseifica dor ê também transferido por meio das tubagens 52 e 54, de preferência, para o sistema de circulação de vapor. No exemplo da . Fig. 1, estão incluídos os arrefecedores de gas, isto e, um pre-1 -aquecedor 14 para a ãgua de alimentação e um evaporador 12. 13 4 \ A agua de alimentação que entra nas secções da caldeira em dois caudais parciais, um deles flui para a caldeira de recuperação de calor actual e o outro para o arrefecedor do gãs produzido. ♦

Os evaporadores 56 e 12 são representados no diagrama como superfícies de circulação forçada de calor, isto é, superfícies de bomba de circulação de calor. 0 vapor sobre-aquecido produzido pela caldeira de recuperação de calor é introduzido pelas tubagens 46 e 38 na turbina de vapor 40 e, um gerador 42, a ela ligado, produz elecfricidade por meio da energia libertada na ex-ansão do vapor.

Parte do vapor de alta pressão produzido na caldeira de recuperação de calor ê conduzido pelas condutas 62 e 64 para a câmara de combustão da turbina a gãs 18 e/ou pelas condutas 62 e 66 para a conduta 26 que conduz directamente a tur bina a gãs. O vapor introduzido na câmara de combustão e/ou na turbina a gãs pode ser regulado por válvulas 68 e 70 de forma que, de preferência, o vapor em excesso de todo o sistema seja utilizado como vapor de injecção.

No conjunto, de acordo com a Fig. 1, umã caldeira 36 de casca de ãrvore, resíduos de madeira ou outro combus tível ou uma chamada caldeira auxiliar, que produz vapor de ãLta B^ressão, estã ligada a uma central de ciclo combinado. O vapor recebido da caldeira auxiliar ê adicionado com o vapor que sai da caldeira de recuperação de calor e depois produzido pela conduta 38 para a turbina de vapor 40. A electricidade produzida pelos geradores 30 e 42 ê ligada a uma rede electrica comum 44. Por meio da válvula 72 na conduta 38 que conduz â turbina a vapor, a quantidade de vapor que entra na turbina ê regulada de mo do a encontrar sempre a necessidade térmica da industria e a uti lizar o excesso de vapor na produção de electricidade.

As Fig. 2-4 ilustram a dependência da quantida de de vapor de injecção, quantidade do caudal de ar através do compressor e a eficiência de conversão da produção de electricidade relativamente â temperatura exterior. As Fig. indicam também o efeito da razão de pressão e classe da madeira sobre as * quantidades anteriormente mencionadas de vapor e ar, bem como so m • bre o rendimento. Nos cálculos dos exemplos, assume-se que o te- 14 \ or de sólidos secos do licor negro é de 75% e a temperatura de entrada do gás que entra na turbina ê de 1473 K. A Fig. 2 representa os valores do Quadro 2, isto ê, a dependência da quantidade de vapor de injecção da tem peratura exterior. A variação da quantidade de vapor de injecção ê calculada para duas razões de pressão diferentes, 20 e 30, para industrias que produzam quer pasta de bétula quer pasta de pinheiro. A produção de vapor aumenta quando a temperatura exterior sobe, o que significa, numa industria de pasta de papel pe-rlo processo de sulfato, que a quantidade de vapor de injecção aumenta.

Classe Temperatura

Razao de

Madeira

Pressão

Vapor de Injecção 3 10 kg/tm

K pinheiro 253 20 0.8 pinheiro 273 20 1.2 pinheiro 293 20 1.7 bétula 253 20 0 bétula 273 20 0.45 ^É>êtula 293 20 0.9 pinheiro 253 30 0.5 pinheiro 273 30 0.9 pinheiro 293 30 1.3 bétula 253 30 0 bétula 273 30 0.3 bétula 293 30 0.65

Quadro 2. Dependência do vapor de injecção da temperatura.

As variações na quantidade de ar comprimido através do compressor ê um parâmetro importante para a operação do processo. Se a quantidade de ar varia drasticamente, a regula çio do compressor não ê possível por ajuste das válvulas guia.

De aeordo com a literatura, o ajuste económico das válvulas guia * ê possível se as variações na quantidade de ar forem de 80 a 1 100%. A turbina a gás pode ser operada provavelmente mesmo pen- - 15 - sando que a quantidade de ar comprimido através do compressor não ê ajustada de acordo com as variações na injecção de vapor. Neste caso, a temperatura do gãs de combustão que entra na turbina vazia e, mais especificamente, diminui quando aumenta a injecção de vapor. Consequentemente, a eficiência de conversão na produção de electrieidade também ê inferior. A Fig. 3 representa os valores do Quadro 3 de como a quantidade de ar varia numa indústria de pasta de papel pelo processo do sulfato de acordo com a temperatura exterior, classe da madeira e razão da pressão. A p’ig. 3 indica que as variações na quantidade de ar são inferiores em 20% quando a temperatura exterior e a classe da madeira variam. Classe da Madeira Temperatura K Razão da Pressão Quantidade de ar 10^ kg/tm pinheiro 253 20 11.2 pinheiro 273 20 10.5 pinheiro 293 20 10 bétula 253 20 10.5 bétula 273 20 9.8 Taetula 293 20 9 pinheiro 253 30 13.2 pinheiro 273 30 12.8 pinheiro 293 30 12.2 bétula 253 30 11.7 bétula 273 30 11.9 bétula 293 30 11.2

Quadro 3. Dependência da quantidade de ar introduzido num compressor sobre a temperatura. A Fig. 4 representa os valores do Quadro 4 do efeito do vapor de injecção na eficiência de conversão da produção de electrieidade numa indústria de pasta de papel por sulfato, de bétula, queimando casca de árvore. Como resultado da subida da temperatura exterior, a necessidade de calor do processo - 16 -

diminui, pelo que o caudal de massa que passa através da turbina de vapor ê reduzido e a energia electrica produzida pela turbina de vapor é reduzida. Ao mesmo tempo, contudo, a energia e-lêctrica produaida pela turbina a gãs aumenta se se utilizar vapor de injeeção. Uma subida na temperatura exterior reduz o volume de calor do gãs produzido. 0 efeito mutuo destes aspectos ê apreciado na Fig. 4 onde se indica que a eficiência de conversão da produção de electricidade diminui quando a temperatura exterior sobe, sem considerar a razão de pressão e classe da ma-ÉMeira. Consequentemente, a mesma quantidade de vapor produz mais electricidade numa turbina a vapor do que o vapor de injeeção, numa turbina a gãs. Se o vapor de injeeção não fôr utilizado, a eficiência de conversão quando da produção de electricidade dimi nui muito mais drãsticamente.

Razão de Vapor de Temperatura Eficiência de

Pressão Injeeção K Conversão % sim 253 31 sim 273 29.6 sim 293 29.4 não 253 31 não 273 29.5 não 293 29.1 sim 253 29.2 sim 273 28.9 sim 293 28.6 não 253 29.2 não 273 28.5 não 293 27.7

2G 20 20 ápo 20 20 30 30 30 30 30 30

Quadro 4. Efeito do vapor de injeeção na eficiência de conversão da produção de electricidade.

Um aumento na razão de pressão de tal forma que a temperatura do gãs que entra na turbina não varie, resulta em que a temperatura do gás saído da turbina e conduzido à caldeira de recuperação de calor diminua. Assim, também o grau de - 17 - sobreaquecimento atingido do vapor é ãis baixo e ê também mais vantajoso para construir a caldeira de acordo com uma pressão de vapor mais baixa. Um grau de sobreaquecimento mais baixo, baixa a eficiência de conversão na produção de electricidade no sistema de circulação de vapor o que se pode apreciar a partir das figuras do Quadro 4. 0 efeito do teor de sólidos secos do licor negro sobre a eficiência de conversão na produção de electricida-cle ê contrario. Um aumento na eficiência de conversão, quando o teor de sólidos secos cresce, i provocado pelo aumento no valor do aquecimento do gás. Numa industria da pasta do papel pelo pro cesso do sulfato, um aumento no teor dos sólidos secos do licor negro resulta num aumento na quantidade do vapor de injecção e numa diminuição da quantidade de ar comprimido no compressor, sem considerar o aumento do valor do calor do gãs produzido. Quando o teor de sólidos secos ê aumentado, o caudal de massa que passa através da turbina de vapor ê também aumentado â medida que o consumo de calor do processo aumenta. Um aumento no teor de sólidos secos do licor negro aumenta o caudal do gãs de queima pelo que a produção de electricidade pela turbina a gãs aumen ta, e a caldeira de recuperação de calor produz mais vapor, isto a produção de electricidade na turbina a vapor também aumenta. Assim, quanto mais aumenta o teor de sólidos secos, mais e-lectricidade em excesso.ê produzida.

Um processo de acordo com a invenção proporcio na uma melhor eficiência de conversão da produção de electricidade em comparação com uma caldeira de recuperação. Normalmente, e produzida mais electricidade do que a que ê necessária na industria da pasta de papel pelo processo de sulfato. A indústria da pasta de papel pelo processo de sulfato é termicamente auto--suficiente. A invenção ê especialmente adequada para condições nórdicas onde são normais variações sasonais e classes de madeira diferente. Não deve ser considerado limitativo desta in-. venção a forma de realização da Fig. 1, mas esta pode ser modifi * cada e aplicada dentro do âmbito da invenção definido pelas rei- 18

Claims (1)

1. S í

   vindicações que a acompanham. Assim, por exemplo, não e necessário queimar a casca de árvore numa caldeira auxiliar separada. A casca de árvore seca pode ser também gaseificada num gaseifi-cador pressurizado, depois do que o gás produzido ê purificado e, se necessário, arrefecido antes de ser conduzido â câmara de combustão da turbina a gás juntamente com o gás recebido da gaseificação do licor negro, separadamente ou misturadas. A casca de árvore e o licor negro podem possivelmente ser gaseificados num e mesmo meio, mas depois, tem de Éser possível separar as substâncias inorgânicas nocivas ao processo de pasta de papel por sulfato a partir do licor verde ou fundido produzido no gaseificador. Por gaseificação da casca de árvore num estado pressurizado, a eficiência de conversão da produção de electri-cidade pode ser aumentada adicionalmente, mas depois, a produção adequada de calor tem de ser atingida. A utilização de injecção de vapor para equilibrar a produção e consumo de calor ê naturalmente possível. A integração da gaseificação pressurizada da casca de árvore com um processo de licor negro pressurizado pode ser muito interessante se o consumo de calor das industias da pasta de papel pu-. .der ser adicionalmente diminuído no futuro. REIVINDICAÇÕES a - 1 Método para gerar calor e electricidade por meio de gaseificação pressurizada de licor negro cetilisando uma tecnologia industrial num moinho de polpa de processamento pelo sulfato, segundo o qual: se gaseificar o licor negro pressurizado por meio de ar compri mido num compressor; 19

   se purificar os gases formados na gaseificação; se faz a combustão dos gases purificados por ar comprimido no compressor numa câmara de combustão de uma turbina a gãs; se permite a expansão dos gases de combustão produzidos na câmara de combustão da turbina de gãs, para gerar electrici-dade; se introduzir numa caldeira de calor residual os gases provenientes da turbina a gãs, ali se gerando vapor sobreaquecido | de alta pressão. se permite a expansão do vapor numa turbina de vapor para gerar electricidade; e se utiliza o vapor libertado da turbina de vapor para satisfazer as carências térmicas do moinho de polpa; caracterizado pelo facto de; se introduzir na turbina a gãs uma quantidade ajustãvel de va por de injecção; se fazer passar pela turbina de vapor apenas a quantidade de vapor que corresponde essencialmente ao consumo de calor do moinho, isto é, o consumo do vapor de sâida do moinho de va-) por, dependendo esse consumo das condições de funcionamento; e por o excesso de vapor gerado na caldeira de calor residual e/ou caldeira auxiliar ser transformado em electricidade injectan-do-o na câmara de combustão de uma turbina a gãs ou na turbina a gás. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a quantidade de ar comprimido no compressor ser ajustada de modo a manter praticamente constante a temperatura da turbina a gãs independentemente das diferentes quantidades de vapor injectãdo. 20

   Método de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo facto de a quantidade de vapor que passa pela turbina a vapor e a quantidade de ar comprimido no compressor serem ajustadas de acordo com a temperatura exterior. - 4a - Método de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo facto de a quantidade de vapor que passa pela tur-ina a vapor e a quantidade de ar comprimido no compressor serem ajustadas de acordo com o tipo de madeira utilizado no moinho de polpa. - 5a - Método de acordo com a reivindicação 1, carácter izado pelo facto de a quantidade de vapor que passa pela turbina de vapor e a quantidade de ar comprimido no compressor serem ajustadas de acordo com o teor do licor negro em sólidos secos. - 6a - Método de acordo com a reivindicação 1, carac-erizado pelo facto de o vapor de alta pressão ser gerado também numa caldeira auxiliar onde se efectua a combustão de desperdícios da madeira, cascas ou outro combustível auxiliar. - 7a - Método de acordo com a reivindicação 6, carac-terizado pelo facto de se misturar os vapores de alta pressão gerados na caldeira de resíduos e na caldeira auxiliar, antes da sua introdução na turbina de vapor. - 8a - Método de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo facto de se utilizar como vapor de injecção o vapor proveniente da caldeira de calor residual. - 9a - 21 - •'.'íXiVtVV '.·*· %

   ."fWKTflPn? Método de acordo com a reivindicação 8, carac-terizado pelo facto de se regular por meio de válvulas a quantidade de vapor de injecção introduzida na turbina a gás. - 10a - Equipamento para gerar calor e electricidade num moinho de polpa de processamento pelo sulfato, numa instalação industrial combinada, possuindo: um gaseificador para gasificação pressurizada de licor negro; um dispositivi para purificação de gás que permite purificar os gases produzidos; - uma turbina a gás constituida por uma câmara de combustão e por uma turbina para combustão de gás e para expansão dos gases de escape; - um compressor para alimentar com ar um gaseificador e a câmara de combustão da turbina a gás; - um gerador para produzir electricidade com uma turbina a gãs; uma caldeira de calor residual para recuperação do calor dos gases de escape da turbina e para gerar vapor de alta pressão uma turbina a vapor para gerar electricidade por meio do vapor gerado na caldeira de calor residual, caracterizado pelo facto de esse equipamento incorporar: - condutas para injectar o vapor de alta pressão recebido da caldeira de calor residual e/ou da caldeira auxiliar, na cama ra de combustão da turbina a gãs ou nos gases de escape dela provenientes; e - um dispositivo de ajustamento que serve para ajustar a quanti dade do vapor de injecção. 22 A requerente reivindica a prioridade do pedido finlandês apresentado em 3 de Abril de 1990, sob o No.901669. Lisboa, 3 de Abril de 1991

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