Sistema para aumento da eficiência térmica de usinas termelétricas a resíduos sólidos urbanos (lixo) de ciclo combinado

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0604713-0 A2
  • Data do depósito:
  • 31/08/2006
  • Data da publicação:
  • 22/04/2008
Inventores:
  • Classificação:
  • F22B 33/00
    Instala??es de gera??o de vapor, p. ex. compreendendo associa??es de caldeiras a vapor de tipos diferentes;
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SISTEMA PARA AUMENTO DA EFICIÊNCIA TÉRMICA DE USINAS TERMELÉTRICAS A RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (LIXO) DE CICLO COMBINADO. Trata-se da adoção de um sistema de ciclo combinado consorciando-se turbinas ou motores a gás natural, ou similar, com turbinas a vapor gerado em caldeiras de recuperação alimentadas tanto pelos gases de escape dos motores ou turbinas como pelos resultantes da combustão dos resíduos (lixo). O sistema tem dois objetivos: aumentar a eficiência energética das usinas termelétricas a resíduos sólidos e/ou biomassa e evitar a corrosão nas caldeiras a vapor causada pelas altas temperaturas associadas aos ácidos corrosivos presentes nos gases da combustão dos resíduos. A corrosão que normalmente ocorre nos superaquecedores é evitada através do uso dos gases de exaustão limpos provenientes de motores ou turbinas a gás natural. Isto permite superaquecer o vapor a temperaturas muito mais elevadas do que seria possível com os gases sujos da combustão do lixo o que também aumenta o rendimento termodinâmico do ciclo de vapor e, por conseguinte da usina. Outro ponto onde acorre intensa corrosão em usinas lixo/energia é nas paredes de água em caldeiras no interior dos incineradores devido à proximidade da chama onde as temperaturas ultrapassam os 1.000C e os gases estão à baixa velocidade, devido ao requisito de 2 segundos acima de 850C para eliminação dos poluentes, sendo necessário proteger os tubos com películas de inconel além de refratários na região inferior do forno. Na patente solicitada a caldeira foi removida do forno e o evaporador recebe calor da mistura dos gases do incinerador com os gases provenientes dos superaquecedores resultando em uma temperatura máxima em torno de 700C dos gases na região do evaporador, além da diluição das impurezas o que reduz ainda mais o potencial corrosivo. Como no interior dos tubos o vapor está saturado o metal está praticamente na mesma temperatura da água devido ao elevado coeficiente de convecção térmica característico do escoamento bifásico. A redução da temperatura dos gases assim como o aumento da sua velocidade, uma vez que os poluentes do lixo já foram destruídos no incinerador, permitir elevar a pressão do vapor com conseqüente aumento da eficiência mesmo com o uso de materiais convencionais no evaporador. A diluição das impurezas nos gases de combustão ocorre naturalmente como decorrência do processo.

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Documento



Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "SISTEMA PARA AUMENTO DA EFICIÊNCIA TÉRMICA DE USINAS TERMELÉTRICAS A RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (LIXO) DE CICLO COMBINADO”

CAMPO DA INVENÇÃO

Trata-se de patente de invenção na área de geração de energia elétrica e/ou vapor, calor e frio em usinas termelétricas movidas a resíduos sólidos, em especial lixo urbano, consorciados com gás natural, biogás, diesel, biodiesel e/ou similares. Em usinas termelétricas convencionais, por exemplo, compostas por motores ou turbinas movidas a gás natural ou outros combustíveis (óleo diesel, querosene, gasolina, etc.) é comum o aproveitamento da energia térmica presente nos gases de escape das máquinas térmicas para a geração de vapor em caldeiras de recuperação. Este vapor poderá ser expandido em uma turbina a vapor acoplada a um gerador elétrico ou usado diretamente em processos industriais, aumentando consideravelmente o rendimento global da usina. Este processo chama-se ciclo combinado e é de uso corrente em diversas usinas no mundo. Caldeiras de recuperação diferem das caldeiras convencionais, porque os gases de escape das máquinas térmicas estão, em geral, a temperaturas muito inferiores, menores que 700°C, aquelas comumente encontradas nos gases de caldeiras convencionais, superiores a 1000°C. Em geral usinas termelétricas movidas a combustíveis sólidos como biomassa, carvão, resíduos industriais e/ou urbanos (lixo) geram gases quentes em um forno, onde são incinerados estes combustíveis sólidos, e o calor destes gases é usado para gerar vapor em uma caldeira convencional dentro do próprio forno ou adjacente a este. Problemas de corrosão, resistência mecânica ou de processos químicos agravados pela exigência ambiental do tempo mínimo de residência de 2 segundos acima de 850°C, dificultam a obtenção de vapor superaquecido a alta pressão e alta temperatura. Usinas convencionais que transformam lixo em energia possuem baixo rendimento termodinâmico, porque o vapor não pode ser gerado a temperaturas e pressões elevadas devido à corrosão nos tubos da caldeira acelerada pelos ácidos presentes nos gases da combustão do lixo. O presente pedido de patente resolve este problema superaquecendo o vapor com gases limpos provenientes de uma máquina térmica a gás natural e usando os gases quentes da combustão do lixo, após serem misturados e resfriados com os gases mais frios da máquina térmica após cederem calor no superaquecedor, para gerar vapor saturado no evaporador e no economizador onde as temperaturas dos tubos são inferiores, menor que 400°C em virtude da ebulição da água, o que também evita a corrosão.

ESTADO DA TÉCNICA

A usina de incineração de lixo espanhola de Zabalgarbi, na cidade de Bilbao, descrita no Anexo 1, utiliza um processo de ciclo combinado modificado onde o vapor saturado, produzido em uma caldeira convencional situada no interior do incinerador de lixo, é superaquecido pelos gases de escape de uma turbina a gás natural em outra caldeira de recuperação externa ao incinerador. Este processo permite superaquecer o vapor até 540°C na pressão de 100 bar, sem o uso de materiais especiais nos tubos, aumentando o rendimento

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termodinâmico da usina resultando na produção de cerca de 0,8 MWh de energia elétrica por tonelada de lixo incinerado. O valor máximo em usinas convencionais de conversão de lixo em energia não ultrapassa 0,6 MWh por tonelada de lixo incinerado. Portanto apresenta um aumento de rendimento superior a 30% na energia elétrica extraída do lixo sem o uso de aços inoxidáveis no superaquecedor. O inconveniente deste sistema se deve ao custo elevado da caldeira situada dentro do incinerador, em geral de grandes dimensões devido à baixa densidade do lixo, além do elevado custo de manutenção e da dificuldade no projeto térmico da caldeira, pois, os gases de combustão devem satisfazer normas técnicas para garantir a eliminação dos poluentes presentes no lixo. A corrosão dos tubos da caldeira também precisa ser controlada devido à elevada temperatura dos gases e da grande quantidade de produtos altamente corrosivos que podem estar presentes no lixo. Atualmente os incineradores deste tipo possuem paredes d'água revestidas de inconel que ainda são revestidas de refratários, na região inferior do forno, para proteger os tubos do calor por radiação, já que a temperatura dos gases de incineração do lixo é superior a 1.000°C. Mesmo com todas estas precauções os incineradores convencionais de lixo sofrem manutenção com muito mais freqüência do que outros tipos de usinas. O mesmo sistema foi empregado na Holanda na usina de AZN na cidade de Moerdijk, no Japão na cidade de Sakai e na usina de Mainz na Alemanha. A USINAVERDE é uma usina de recuperação de energia dos resíduos sólidos urbanos (lixo), situada no Campus da Universidade Federal do Rio de Janeiro, na Ilha do Fundão. Ela possui um incinerador com caldeira de recuperação externa que recebe os gases do incinerador a 1.000°C. Como estes gases são muito corrosivos sua temperatura deve ser abaixada através de paredes d água o que eleva a irreversibilidade da caldeira reduzindo sua eficiência. O sistema proposto nesta patente iria elevar significativamente a eficiência desta usina e ainda reduzindo o potencial para corrosão na caldeira além de reduzir o custo da mesma pela simplicidade de projeto de uma caldeira de recuperação convencional. Nestas caldeiras o superaquecedor está antes do evaporador e do economizador permitindo otimizar o projeto de troca de calor entre os gases e a água.

DESCRIÇÃO DO SISTEMA

O presente pedido de patente permite eliminar a caldeira convencional, com paredes de água, dentro ou próxima ao incinerador que estaria sujeita a gases muito quentes, cerca de 1,000°C e altamente corrosivos, substituindo-a por outra de recuperação externa. Considere a Figura 1. Foi considerado um ciclo de vapor com duas pressões e reaquecimento por ser um ciclo que permite alto rendimento termodinâmico que é o objetivo da patente. A máquina térmica (10) recebe a energia térmica E1 do gás natural (ou similar), transforma parte desta energia diretamente em energia mecânica (gerador elétrico), o restante vai para os gases de exaustão e outra parte é perdida para o meio ambiente principalmente pelos sistemas de resfriamento. Os gases de exaustão recebem energia adicional E2 no queimador de gás natural suplementar (11) para aumentar a temperatura de modo a elevar a temperatura do vapor nos superaquecedores (2) e (3). Após cederem calor ao vapor nos

superaquecedores os gases a aproximadamente a 500°C são misturados com os gases quentes, cerca de 1.000°C, provenientes do incinerador de resíduos (1) que recebe a energia E3 contida no lixo. A corrente de gases resultante atinge cerca de 700°C na entrada do evaporador (4) e continua cedendo calor ao economizador (5) de onde sai a aproximadamente 200°C para o sistema de lavagem de gases (6) e posteriormente para a chaminé (7). O vapor superaquecido no superaquecedor (3) alimenta a turbina a vapor de alta pressão (9), é reaquecido no superaquecedor (2) e escoa na turbina a vapor de baixa pressão (8). O vapor proveniente da turbina de baixa pressão é condensado em (13) e bombeado por (14) retornando ao economizador (5) e em seguida ao evaporador (4), (12) onde o vapor saturado é gerado. O vapor nesta caldeira de recuperação é superaquecido com gases limpos provenientes de uma turbina(s) ou motor(es) a gás natural eliminando o potencial para corrosão dos tubos do superaquecedor. Para temperatura dos gases quentes abaixo de 700°C não há necessidade de materiais especiais se a temperatura do vapor estiver abaixo de 540°C pois o metal dos tubos estará abaixo de 600°C. Como no superaquecedor não existe a grande quantidade de fuligem sempre presente nos gases da combustão do lixo os tubos podem ser aletados o que reduz muito o tamanho do(s) superaquecedor(es). Desta maneira podemos obter vapor superaquecido em torno de 540°C a pressões de aproximadamente 100 bar, sem o emprego de materiais especiais para evitar a corrosão. O rendimento do ciclo de vapor pode passar dos 40% contra os atuais 20% em usinas queimando biomassa e/ou resíduos sólidos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO SISTEMA

A usina pode funcionar tanto em ciclo combinado como foi descrito acima como somente com lixo, usando ar frio aquecido no queimador de gás suplementar. Este modo teria eficiência inferior ao modo normal a não ser que fosse usado um ciclo de vapor avançado com rendimento superior a 45% como está sendo empregado em grandes usinas na Europa e China, usando superaquecimentos superiores a 700°C e pressões até 300 bar. O modo inverso, isto é, somente com o(s) motor(es) ou turbina(s) a gás também é possível em ciclo aberto ou ciclo combinado com potência reduzida na turbina a vapor.

VANTAGENS E ORIGINALIDADE DO SISTEMA

A patente solicitada resolve os tres principais problemas das usinas lixo-energia: corrosão na caldeira, em especial na parede de água e nos superaquecedores, baixa eficiência termodinâmica e custo elevado. A simplicidade da solução, removendo a caldeira do interior do incinerador, desacopla o tratamento térmico do lixo do aproveitamento do calor que será realizado com os gases em condições muito mais favoráveis do que atualmente em qualquer usina do mundo. No superaquecedor os gases são bastante limpos e no evaporador os gases são mais diluídos diminuindo o potencial corrosivo e sua temperatura é bem mais baixa do que nos incineradores de lixo convencionais que expõem os tubos a gases extremamente quentes, corrosivos, a baixa velocidade, o que requer o uso de inconel, aço inoxidável ou outros materiais nobres. Mesmo usando estes

matérias de custo elevado as usinas lixo energia convencionais não atingem rendimentos superiores a 20%. O caso proposto atinge rendimentos em torno de 30% sem o emprego de materiais especiais, portanto o custo da nova usina é sensivelmente menor. Caso seja economicamente viável o uso de materiais nobres as eficiências do modelo proposto podem superar os 50% usando-se ciclos de vapor avançados.

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REIVINDICAÇÕES:

1.    Uma usina termelétrica movida a resíduos sólidos (lixo urbano, lixo industrial, biomassa, ou similares) e gás natural (ou outro(s) combustível(eis) líquido(s) ou gasoso(s)) caracterizada por compreender:

5 a) Um incinerador de resíduos sólidos sem caldeira interna.

b)    Uma ou mais turbina(s) ou motor(es) e gerador(es) elétrico(s) a gás natural ou outros combustíveis líquidos ou gasosos.

c)    Uma caldeira de recuperação externa ao incinerador composta de superaquecedor, evaporador e economizador, nesta ordem, ou seja sem

10 paredes de água antes do(s) superaquecedor(es).

d)    Uma ou mais turbinas a vapor e gerador(es) elétrico(s).

e)    Um sistema de lavagem de gases antes da chaminé.

f)    Um sistema de tratamento das cinzas.

2.    A caldeira de recuperação da reivindicação 1 é caracterizada pelo fato do(s) 15 superaquecedor(es) ser(em) aquecido(s) somente pelos gases de exaustão

da(s) turbina(s) ou motor(es) a gás natural (ou similar) com ou sem queima de gás (combustível) suplementar.

3.    A caldeira de recuperação da reivindicação 1 é caracterizada pelo fato do(s) evaporador(es) e economizador(es) serem aquecidos pela mistura dos gases

20 provenientes do incinerador e do(s) superaquecedor(es) baixando a temperatura resultante dos gases de modo a evitar a corrosão dos tubos da caldeira (evaporador).

4.    A caldeira de recuperação da reivindicação 1 é caracterizada pelo fato do(s) tubos do(s) superaquecedor(es) poderem ser aletados uma vez que os gases

25 por serem limpos são livres da fuligem presente nos gases provenientes do incinerador de resíduos.

5.    A mistura de gases da reivindicação 3 é caracterizada por diluir as impurezas contidas nos gases do incinerador simplificando o sistema de limpeza dos tubos da caldeira reduzindo o número de paradas da usina.

30    6. A mistura de gases da reivindicação 3 é caracterizada por diluir as dioxinas e

furanos porventura existentes na chaminé já que o gás diluidor proveniente da(s) turbina(s) ou motor(es) a gás natural apresenta reduzido teor de oxigênio podendo ser usado para este fim sem exceder as normas ambientais.

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ANEXO 1

Esquema da Usina de Zabalgarbi em Bilbao, Espanha.

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Nüt Outufi ftfffo    42M (vfith Waste)


R&cefte êlectrlqua fhWe vendu - kwth gaí acheté) : 72% Wecette s ur ordures    : 20%

Waste-to-Energy Research and Technology Çouncil Fail Meéting Colúnribia Ühiversity; Õct.7-8, 2004

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RESUMO

Patente de Invenção para: "SISTEMA PARA AUMENTO DA EFICIÊNCIA TÉRMICA DE USINAS TERMELÉTRICAS A RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (LIXO) DE CICLO COMBINADO”. Trata-se da adoção de um sistema de ciclo combinado consorciando-se turbinas ou motores a gás natural, ou similar, com turbinas a vapor gerado em caldeiras de recuperação alimentadas tanto pelos gases de escape dos motores ou turbinas como pelos resultantes da combustão dos resíduos (lixo). O sistema tem dois objetivos: aumentar a eficiência energética das usinas termelétricas a resíduos sólidos e/ou biomassa e evitar a corrosão nas caldeiras a vapor causada pelas altas temperaturas associadas aos ácidos corrosivos presentes nos gases da combustão dos resíduos. A corrosão que normalmente ocorre nos superaquecedores é evitada através do uso dos gases de exaustão limpos provenientes de motores ou turbinas a gás natural. Isto permite superaquecer o vapor a temperaturas muito mais elevadas do que seria possível com os gases sujos da combustão do lixo o que também aumenta o rendimento termodinâmico do ciclo de vapor e, por conseguinte da usina. Outro ponto onde ocorre intensa corrosão em usinas lixo/energia é nas paredes de água em caldeiras no interior dos incineradores devido à proximidade da chama onde as temperaturas ultrapassam os 1,000°C e os gases estão à baixa velocidade, devido ao requisito de 2 segundos acima de 850°C para eliminação dos poluentes, sendo necessário proteger os tubos com películas de inconel além de refratários na região inferior do forno. Na patente solicitada a caldeira foi removida do forno e o evaporador recebe calor da mistura dos gases do incinerador com os gases provenientes dos superaquecedores resultando em uma temperatura máxima em torno de 700°C dos gases na região do evaporador, além da diluição das impurezas o que reduz ainda mais o potencial corrosivo. Como no interior dos tubos o vapor está saturado o metal está praticamente na mesma temperatura da água devido ao elevado coeficiente de convecção térmica característico do escoamento bifásico. A redução da temperatura dos gases assim como o aumento da sua velocidade, uma vez que os poluentes do lixo já foram destruídos no incinerador, permitir elevar a pressão do vapor com conseqüente aumento da eficiência mesmo com o uso de materiais convencionais no evaporador. A diluição das impurezas nos gases de combustão ocorre naturalmente como decorrência do processo.