BRPI0903727A2 - módulo combustor de massa sólida pelletizada - Google Patents

Abstract

MODULO COMBUSTOR DE MASSA SóLIDA PELLETIZADA. Refere-se a presente invenção a um módulo combustor (1) constituído por caixa difusora de ar (2), câmara cilíndrica de combustão (3), face flangeada central (4) e grelha tubular (5) que, em conjunto modular único e compacto, permitem a maximização da exploração do poder calorífico dos mais variados materiais sólidos peiletizados, inclusive os orgânicos e de teores de cinza superiores a 1 %, através da otimização do fluxo interno formado por ar, material combustível e matéria queimada, em um movimento contínuo de circulação e reposição de elementos, possibilitando a retirada eficaz de toda a cinza gerada durante a combustão por percolação entre os vãos da matéria nova e da grelha (5) operante em leito fluidizado mínimo, formando uma chama 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 de processo e redução direta dos 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.

Description

"MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA".

Refere-se a presente invenção a um móduloqueimador de combustível sólido pelletizado, constituído por umacâmara de combustão de chama aberta, dotada de um berçocomposto por tubos cilíndricos perfurados longitudinalmente edispostos em forma de grelha inclinada, sendo os tubos insufladoscom ar proveniente de uma turbina de descarga tangencial,formando-se sobre a grelha, por meio da vazão de ar através dosfuros dispostos em linha ao longo dos tubos, um colchão de arcapaz de manter a matéria combustível queimada suspensa emsentido ascendente, em leito fluidizado mínimo, enquanto matériacombustível nova é reposta sobre a grelha verticalmente e emsentido descendente, formando-se, juntamente com a ação de umacorrente de ar horizontal proveniente de uma divisão do fluxo de arproveniente da turbina, um movimento contínuo de circulação ereposição de matéria comburente, possibilitando a retirada eficaz detoda a cinza gerada durante a combustão por percolação entre osvãos da matéria nova e da grelha, formando uma labaredaprojetada ausente de cinzas, fagulhas e de matéria combustível nãoqueimada ou parcialmente queimada, permitindo ciclosintermitentes de queima de maior rendimento e potência finalgerada, maior estabilidade do processo, possibilitando, inclusive/autilização de pellets de diversas matérias orgânicas renováveis comuma exploração otimizada de seu poder calorífico, com redução deefeitos indesejados sobre o meio-ambiente em termos de gases eresíduos de combustão.

A presente invenção pertence aos campos daengenharia mecânica e química, notadamente em ciclostermodinâmicos e tecnologia de exploração térmica de biomassa.

ESTADO DA TÉCNICA

Sistemas de combustão aberta para ageração de energia calorífica são largamente utilizados em todo omundo, desde os mais remotos tempos e nas mais variadassituações de aplicação, tais como a geração de vapor em caldeiras,aquecimento de equipamentos de secagem, de dispositivos deconformação, de fornos, de ambientes e para o aquecimento defluidos em geral.

A potência demandada pela aplicação, bemcomo questões relativas ao custo de geração por kW, adisponibilidade e, em termos mais atuais, o meio-ambiente, arenovabilidade e a sustentabilidade econômica, social e ambiental,determinam o tipo de equipamento queimador ideal e a natureza docombustível a ser utilizado.

Os combustíveis mais comumenteempregados e ainda dominantes em alguns setores, são osderivados de hidrocarbonetos e, mais recentemente, fontesalternativas tem sido objeto de estudo, experiências e de crescenteinteresse devido ao anunciado esgotamento das matérias fósseis,previsto para a próxima década.

Dentre os combustíveis naturais sólidos emaplicação e constante aprimoramento, destacam-se o bagaço decana-de-açúcar e capim-elefante, cascas de cereais, frutas,leguminosas, oleaginosas e árvores, palha e fibra de milho, lenhareflorestada, serragem, dentre outros, existindo os mesmosdisponíveis em várias formas, sendo uma delas a forma seca,moída e compactada, conhecida por briquetes, ou sua versãogranulada, os pellets.

Uma vez definido o escopo energéticoformado basicamente pela matriz que compreende pellets debiomassa, como combustível, e queimador de chama aberta, comoexplorador de energia calorífica, faz-se necessário avaliá-lo commais critério e detalhamento.

Embora existam crescentes estudos edesenvolvimentos para a ampliação do espectro de combustíveis,as unidades combustoras atuais são, por limitações técnicas comoo teor de cinzas, dimensionadas e projetadas para combustíveisespecíficos, ou melhor, para uma determinada matéria originária oufamília específica de comburentes, tendo sua atuação limitadaquando submetidas a combustíveis diferentes, o que atesta arelativa falta de flexibilidade, importantíssima tanto para aadequação do custo de geração ao fim almejado quanto para amatriz ecológica, por exemplo, para a rotação de culturas ou emtempos de escassez ou crises climáticas e econômicas.

O teor de cinzas presente originalmente emcada tipo de combustível se torna um empecilho com respeito àutilização de diferentes e novas alternativas de comburentes, umavez que combustores atuais de pellets de biomassa limitam-se acombustíveis com teores de cinza iguais ou inferiores a 1% (um porcento). Valores superiores a este, ocasionam problemas naqualidade da queima, cujos efeitos indesejados mais freqüentes sãoa queda de rendimento e potência gerada e a formação de fuligeme fumaça, além da queima apenas parcial de parte da matériacombustível alimentada à fornalha.Estas limitações técnicas citadas são aindamais amplas se considerarmos a exploração do poder calorífico decada tipo de combustível, ainda insuficiente em termos derendimento por quilograma ou tonelada queimada, lembrando que amatéria pelletizada é subministrada ao queimador ciclicamente, deacordo com o volume da câmara de combustão e da capacidade dequeima da unidade.

Além disso, tanto a qualidade da queimaquanto o fluxo interno de resíduos não são ideais, havendo umexcedente de cinzas e de material não queimado não retirado acada ciclo e misturado à matéria nova alimentada ciclicamente, oque reduz em muito a potência gerada, provocando interrupçõesparciais igualmente cíclicas na combustão e demandando a igniçãoconstante do combustível, por conta do incremento da energia deativação a ser transposta em cada novo início de queima, havendoa necessidade de se sustentar a queima por meios auxiliares edispendiosos, como chamas piloto a gás ou mesmo resistênciaselétricas.

Existem diversas tentativas para melhorar oaproveitamento calórico da queima de pellets de biomassa a partirda melhora do fluxo de ar da câmara de combustão, como nosilustra, por exemplo, o modelo de utilidade de n° MU8702268-0,depositado em 07/12/2007, o qual sugere o insuflamento de ar nacâmara de combustão de modo turbilhonado e direto sobre amatéria em combustão o que, para os especialistas no assunto,melhora, porém não elimina os problemas até então mencionadoscom respeito à qualidade dos fluxos internos de ar, combustível ecinzas.Outra proposta é a sugerida pela invenção denúmero PI0400436-1, depositada em 18/03/2004, apresentado umatubulação adicional de água conduzida pelo interior da câmara decombustão para incrementar a exploração de calor e ainda gerarvapor, ocasionando, porém, incremento de custos e não resolvendode forma eficaz as questões relativas ao fluxo interno de ar,combustível e cinzas.

Existem ainda soluções que apresentamgrelhas móveis, outras que dispõem de ventoinhas ou turbinasmontadas verticalmente, citando apenas algumas alternativas que,por conta de suas limitações técnicas, deixam a desejar quanto aofluxo interno de matérias.

A presença de cinzas, fagulhas e material nãoqueimado ou apenas parcialmente queimado, é extremamentedanoso para o rendimento da queima e mais ainda para ossistemas subseqüentes à câmara de combustão aberta, comoserpentinas e dutos de ar. Além do risco de incêndios e daformação de fumaça em coluna descendente, ocorrem oencardimento, 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 àscaracterísticas higroscópicas de muitas biomassas, resultando emumidificação ou adição de água dos granulados e redução daretirada de energia térmica, pois parte importante da energia éconsumida para a evaporação da umidade.

Todas as dificuldades mencionadas até entãodeixam evidente o motivo pelo qual queimadores de pellets debiomassa ainda são utilizados em pequena escala e porque aindanão são alternativas viáveis e suficientemente flexíveis para asubstituição dos outros modelos atualmente empregados.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

"MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", objeto da presente invenção, no intuito desolucionar os problemas relacionados ao atual Estado da Técnica,apresenta uma solução otimizada para o incremento da exploraçãoda potência calorífica de biomassa compactada e granulada,gerando energia térmica por combustão a custos economicamenteinteressantes por kWh (ou kJ ou kcal) produzido, partindo dasseguintes premissas:

A) Módulo combustor compacto comcapacidade de geração superior aos similares disponíveis de igualdimensão, ampliando o leque de aplicações e permitindo o uso emsistemas industriais de médio e grande porte;

B) Módulo combustor compacto comcapacidade de geração a partir de diversos tipos de combustívelbiológico;

C) Módulo combustor capaz de operarinclusive com combustíveis de teor de cinzas superior a 1%;

D) Módulo combustor dotado de fornalha comfluxo interno otimizado e constante de ar, matéria combustível ecinzas;

E) Módulo combustor de rendimento dequeima nunca inferior a 97%, ou η = 0,97, onde "η" representa arelação direta entre a quantidade de combustível oxidada e aoriginalmente fornecida;F) Módulo combustor dotado de fornalhacapaz de realizar a queima de material pelletizado seco ouparcialmente umidificado, sem resultar em significativas perdas derendimento.

Para tanto, vale-se o objeto da presente devários fundamentos mecânicos, termodinâmicos e químicos, alémdos resultados práticos de testes exaustivos de protótiposfuncionais, residindo a questão fundamental na otimização dosfluxos 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 perfeitacombinação e sintonia das fontes fornecedoras de cada elemento.

A subministração de ar para a queima e paraa projeção da chama é feita por meio de uma turbina de descargatangencial, devendo, porém, haver um circuito de condução destear dotado de bifurcações para a perfeita administração da dosagemnecessária para cada estágio da queima.

A presença de cinzas, bem como de matérianão queimada ou mal queimada é um enorme empecilho para orendimento do processo, podendo ser evitada por meio daintrodução na grelha de um leito de fluidização mínima, permitindomanter parte da cinza em suspensão rente à superfície da grelha eoutra parte permeando por entre os vãos ou deslizando por sobre agrelha inclinada, ou seja, mantendo a matéria residual emmovimento contínuo e removendo-a a câmara.

A suspensão de parte da cinza é obtidaatravés de furos de pequeno diâmetro dispostos ao longo doselementos tubulares da grelha. Parte do ar proveniente da turbinade ar é desviada para o interior dos tubos da grelha, fechados naextremidade oposta à da alimentação de ar, forçando a passagemda corrente de ar pelos orifícios das furações, criando um colchãode ar.

A inclinação da grelha é ascendente emdireção à desembocadura da chama, forçando o deslizamento dascinzas para o início da grelha e depois para a caixa acumuladora,situada no fundo da câmara.

O carregamento intermitente de combustívelnovo deverá ocorrer em sincronia perfeita com a finalização daqueima da carga anterior, sendo a nova carga despejada no interiorda câmara de combustão, misturando-se com parte das cinzas emsuspensão 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 disposiçãogeométrica adequada e inclinação correta, criar-se-á um ciclocontínuo, eficiente e eficaz de alimentação, combustão, retirada decinzas e de renovação de material combustível.

Testes práticos de fácil reprodução e commateriais usuais de mercado comprovaram as considerações acimae resultaram em modelos compactos de queimador, obtendo-secom pellets de capim do gênero brachiaria, de poder calorífico "a"médio de 4.000 kcal/kg (a = 4.000 kcal/kg), com teor de cinzassuperior a 1% e umidade de 8%, com os seguintes resultados:

1) Potência gerada superior a 3.000kW (ou3.000 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-seresultados similares aos apresentados acima, comprovando aflexibilidade do objeto do presente.

A magnitude e importância destes resultadosse faz evidente quando comparada aos resultados obtidos comunidades de mesmo porte dimensional, fabricadas ecomercializadas pelo maior especialista mundial do ramo, testadascom o mesmo combustível e em condições ambientais iguais, osquais foram:

1) Potência gerada entre 550 e 1.000 kW(ou 1.000k J/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 oinventor a iniciar testes com unidades compactas, baseadas noprincípio objeto do presente, em unidades de aquecimento de maiorporte, obtendo grande sucesso.

Isto posto, apresenta-se o "MÓDULOCOMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA" como umaunidade queimadora de combustível de biomassa vegetalpelletizada compacta e de alto rendimento, flexível ao tipo decombustível vegetal utilizado, estrutura de simples configuração,manutenção e montagem, comprovando seu caráter de novidade,atividade inventiva e aplicação industrial, justificando seu totalenquadramento no âmbito das Patentes de Invenção.Para melhor entendimento e visualização doobjeto da presente invenção, representam os desenhos anexos o"MÓDULO COMBUSTOR DE MASSA SÓLIDA PELLETIZADA",

como segue:

A Fig. 1 representa uma vista posterior emperspectiva do módulo objeto da presente patente , evidenciandoseus elementos componentes principais;

A Fig.2 representa uma vista anterior emperspectiva do módulo objeto da presente patente, evidenciando acâmara cilíndrica de combustão e a grelha tubular;

A Fig.3 representa uma vista posterior dacaixa difusora de ar, evidenciando as furações, disposição dostubos da grelha e chapa defletora de alimentação de combustível;

A Fig.4 representa uma vista ínfero-anteriorem perspectiva do módulo objeto da presente patente, evidenciandoa câmara de combustão e seus componentes internos;

A Fig.5 representa uma vista ínfero-posteriorem perspectiva da câmara de combustão e da face flangeadacentral, sem a grelha tubular, evidenciando a abertura inferior paradescarte de cinzas;

A Fig.6 representa uma vista súpero-frontalem perspectiva da grelha da câmara de combustão, evidenciando adisposição dos furos dos tubos da grelha, bem como a orientaçãodos 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, emefeito de lupa, o vão entre os tubos da grelha;

A Fig. 7 representa uma vista lateral parcial deum exemplo de acoplamento e instalação do módulo objeto dapresente patente em unidade térmica pré-existente, evidenciando aflexibilidade da modularidade proposta.

DESCRIÇÃO DETALHADA

"MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", objeto da presente invenção, deconformidade com o quanto representam as figuras acimarelacionadas, constitui-se por um módulo combustor (1) dotado deuma caixa difusora de ar (2) e de uma câmara cilíndrica decombustão (3), unidas entre si e possuindo uma face flangeadacentral (4), cuja borda perimétrica externa (4a) é dotada deconfiguração geométrica tal que permite a fixação do módulocombustor (1) por parafusos (PF) em unidades de aquecimento desistemas termodinâmicos, ou seja, unidades térmicas (UT) pre-existentes e já instaladas ou pertencentes a novos projetos eunidades.

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 ambienteexterno para o interior da caixa difusora (2) através de um duto deentrada (2d), sendo o volume de ar conduzido para a câmaracilíndrica (3) através de diversas entradas de ar da face flangeadacentral (4).

A câmara cilíndrica de combustão (3) éformada 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 aradvindo da caixa difusora (4) para o interior da câmara cilíndrica decombustão (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 suaparte superior interna uma coroa de furações (4b) para a formaçãoe direcionamento da chama, cujo furo central (4c) coincide com oeixo central da câmara cilíndrica (3), além de furos laterais (4d) paraa 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 daalimentação de combustível subministrada pela tubulação dealimentação (2e), ocorrendo a inserção por turbilhonamento domaterial 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 aolongo dos tubos (5a), sendo radialmente dispostos e providos delinha central apontando para o centro de origem (5c) da semi-elipsóide (5d) imaginária formada pela interligação das linhascentrais (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 eixoscentrais paralelos uns aos outros ou formando pequenos ângulosentre si, uma vez que a grelha (5) é inclinada ascendentemente emdireção à saída de chama (3d), formando um berço de queimainclinado e arredondado.Os vãos (5f) entre os tubos (5a) da grelha (5)devem ser sempre menores do que o diâmetro mínimo da matériapelletizada, padronizado e informado previamente pelo fabricantedos pellets, para possibilitar a passagem das cinzas e a quedadestas, por gravidade, para o interior de um compartimento decinzas a ser disposto sob a abertura inferior (3e) da câmaracilíndrica (3), podendo esta abertura inferior (3e) ser fornecida comuma tampa de serviço (3f).

Para melhor detalhamento da proposta deoperação otimizada do objeto da presente invenção, dar-se-á adescrição da seqüência de queima do "MÓDULO COMBUSTOR DEMASSA SÓLIDA PELLETIZADA", partindo-se de uma câmara decombustão (3) repleta de matéria pelletizada já inflamada, porexemplo, através de chama piloto ou resistência elétrica,convencionalmente utilizados em queimadores.

A matéria comburente fresca é introduzida nacâmara (3) por meio da tubulação de alimentação (2e), passandopela chapa defletora (4e) e sendo soprada sobre o leito defluidização mínima, leito este formado sobre a superfície curvada dagrelha (5) por conta da corrente de ar proveniente dos furos (5b)dos tubos (5a), em corrente ascendente e movida em direção aocentro de origem (5c) dos furos (5b).

Sobre este leito fluidizado já se encontramsuspensas cinzas da matéria consumida no início da operação, aqual é pressionada pela matéria fresca em início de combustão parabaixo e por entre os vãos (5f) da grelha.

As correntes de ar advindas da coroa defurações (4b) e do furo central (4c) da face flangeada (4), provocama projeção da chama em direção horizontal e no sentido da saídade chama (3d), sendo o turbilhonamento necessário obtido por meiode 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), porsua vez, é guiado pelo vão anelar formado entre o manto externo(3a) e interno (3b) da câmara de combustão (3), desembocando nasaída de chama (3d) e provocando novo turbilhonamento de ar echama por meio da ação combinada dos furos de passagem (3c) edo encontro deste fluxo com o fluxo gerado a partir da coroa defurações (4b) e furo central (4c).

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

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

Claims (7)

1. "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", para acoplamento modular em unidadestérmicas (UT) pré-existentes e instaladas ou novas, caracterizadogor ser o dito módulo oombustor (1) fornecido em uma só peçacompacta, dotada de caixa difusora de ar (2), câmara cilíndrica decombustão (3), face flangeada central (4) e grelha tubular (5).

2. "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com a reivindicação 1, em quea dita caixa difusora de ar (2) é dotada de turbina (2a) de descargatangencial, motor (2b) de acionamento, plataforma de apoio (2c),duto de entrada (2d) e tubulação de alimentação (2e), ecaracterizada por ser a caixa difusora de ar (2) acopladadiretamente à câmara cilíndrica de combustão (3) por intermédio deuma face flangeada central (4).

3. "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com a reivindicação 1, em quea dita câmara cilíndrica de combustão (3) é dotada de saída dechama (3d) e abertura inferior (3e) e caracterizada por ser dotadade mantos concêntricos, chamados manto externo (3a) e mantointerno (3b), sendo o manto interno (3b) dotado de furos depassagem (3c), radialmente dispostos em sua extremidade anteriorpróxima à saída de chama (3d).

4. "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com a reivindicação 1, em quea face flangeada central (4) é caracterizada por ser dotada deborda perimétrica externa (4a), coroa de furações (4b), furo central(4c), furos laterais (4d) e chapa defletora (4e).

5. "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com as reivindicações 1 e 4,em que a dita chapa defletora (4e) é caracterizada por ser dispostade modo a direcionar o fluxo de combustível advindo da tubulaçãode alimentação (2e) em eixo perpendicular ao plano horizontal e emsentido descendente.

6. "MÓDULO COMBUSTOR DE MASSASÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com a reivindicação 1, em quea dita grelha tubular (5) é inclinada ascendentemente em direção àsaída de chama (3d) e caracterizada por constituir-se de um berçoou 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 MASSASÓLIDA PELLETIZADA", de acordo com as reivindicações 1 e 6,em que os ditos furos (5b) da grelha tubular (5) são caracterizadosβοτser radialmente dispostos ao longo dos tubos (5a) e dotados delinha central (5e) apontando para o centro de origem (5c) de umasemi-elipsóide (5d) formada pela interligação das linhas centrais(5e) seqüenciais dos furos (5b) dos tubos (5a) da grelha (5).