PT953080E - Metodo para a gaseificacao da lixivia negra em caldeiras de recuperacao - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"MÉTODO PARA A GASEIFICAÇÃO DA LIXÍVIA NEGRA EM CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO" A presente invenção refere-se a um método para a gaseificação da lixívia negra em caldeiras de recuperação, o qual utiliza ar enriquecido com oxigénio.

Fundamento da Invenção A produção de pasta química de madeira está dividida em duas áreas, isto é a área da linha de fibra, em que a pasta química é produzida com lixívia extinta como subproduto e a área de recuperação química, em que os químicos necessários à área da linha de fibra são recuperados da lixívia extinta. A peça de equipamento isolada mais cara em toda a instalação de fabrico da pasta é a caldeira de recuperação química e a capacidade total de produção de pasta está fortemente dependente da capacidade e da disponibilidade da caldeira de recuperação. Se a caldeira de recuperação se tomar a parte estrangulada da instalação, isso terá um impacto directo na possibilidade da fábrica para aumentar a capacidade de produção de pasta. A caldeira de recuperação alcança os limites da sua capacidade, quando as suas superfícies de aquecimento ficam obstruídas devido a “transporte” de partículas físicas vindas da parte inferior da câmara de combustão. A quantidade de transporte depende de quatro parâmetros; velocidade ascendente do gás, tamanho das partículas (gotícuias), densidade das partículas e número de partículas com propriedades desfavoráveis. Quando a capacidade aumenta é preciso mais ar e isso vai aumentar a velocidade ascendente do gás. Uma capacidade mais elevada aumenta também o número de partículas desfavoráveis e o efeito combinado é o de aumentar o transporte com o aumento da carga. A caldeira terá atingido a sua capacidade limite quando ficar entupida devido ao transporte e a instalação for incapaz de produzir mais pasta, a menos que seja feito um grande investimento numa nova caldeira de recuperação, a qual precisa também de uma longa interrupção para instalação e, em consequência disso, perdas de produção e de rendimento adicionais. Já em 1982 foi demonstrado na prática, por exemplo pelo artigo “Tillsats av syrgas vid fòrbrãnning av sulfittjocklut vid MoDomsjõ sulfitfabrik”, S.Larsson, AGA, C. Nilsson, MoDo, L.Saltin, AGA, Svenska Sodahuskonferensen, Stockholm, Suécia, Nov. 18, 1982 e pela brochura “ Oxygen Enrichment increases Capacity” AGA AB, GM164e (1983), que, enriquecendo-se o ar de combustão primário e secundário por meio de enriquecido com oxigénio até 23% (em volume) de conteúdo de oxigénio, a capacidade de uma caldeira de recuperação de sulfito de sódio pode ser significativamente aumentada. A US-A-4.587.282, descrevia em 1988 uma forma de processar lixívia negra por meio do enriquecimento dos níveis de ar de processamento primário e/ou secundário usado no processo de combustão, por meio da adição de oxigénio puro numa quantidade de 0,63 kg/kg de ss. (sólidos secos) e pela adição de 0,42 kg de oxigénio do ar/kg de ss. (sólidos secos), para a combustão de um kg de aumento de sólidos secos, o que significa um conteúdo de oxigénio total de 21,8% em volume, se o oxigénio adicional for distribuído uniformemente aos jactos de ar ou, num caso extremo, se todo o oxigénio adicional for acrescentado a apenas um dos dois jactos de ar, até uma quantidade efectiva de 5% de oxigénio por volume para o referido jacto de ar, o conteúdo absoluto de oxigénio do referido jacto de ar subirá para 24,8% se a diferença entre ar primário/ar secundário for reduzida para 23,77% (do volume) do ar total fornecido.

Essa patente refere que a taxa de incineração ou a capacidade da caldeira de recuperação podem ser aumentadas por meio de um fornecimento moderado de oxigénio ao jacto de ar primário e/ou secundário de três maneiras ; 1. Um aumento na temperatura adiabática da chama , a qual aumentará o fluxo de calor na fornalha inferior e 2. Um aumento na taxa de queima de carbonização, que é uma função linear da concentração de oxigénio e 3. Aumento na taxa de secagem por meio de uma temperatura aumentada da fomalha inferior. 3

Isto é basicamente um subconjunto dos resultados de uma caldeira de recuperação experimentada <5 anos antes e descrita nas duas primeiras publicações referidas. O inconveniente de ambos esses métodos conhecidos é que, ao enriquecer-se o ar de combustão com ar enriquecido com oxigénio na fornalha inferior, isto é registos de ar primário e secundário sem redução do factor ar (o factor ar é definido como o fornecimento real de oxigénio dividido pelo fornecimento estequiométrico de oxigénio para uma combustão completa) as condições para a formação de NOx aumentarão devido à temperatura mais elevada e ao aumento de volume, onde existem condições de oxidação na fornalha inferior. A emissão de NOx será agora o factor de limitação de capacidade devido às regulações ambientais extremas. As duas primeiras publicações descrevem alguns cálculos teóricos, que mostram que, redistribuindo-se o oxigénio entre os registos de ar, a temperatura pode ser controlada. A flexibilidade destas caldeiras dos anos 80 era muito limitada devido aos registos de ar localizados na fornalha inferior, por baixo dos pulverizadores de lixívia e o factor ar ser normalmente acima de 1 na elevação rápida da lixívia (isto é, estequiométrica ou acima) independentemente de como o oxigénio era redistribuído entre os registos.

Hoje em dia as caldeiras de recuperação estão a usar ar “simples” para conseguir um factor de ar total de 1 - 1,05 a entrar na secção de superaquecimento e condições subestequimétricas na fornalha inferior por meio da adição de níveis de ar na fornalha superior, a que se chama registos de ar superaquecido ou terciários, quaternários etc. Isso encontra-se esquematicamente ilustrado na Fig. 1 anexa. Actualmente a prática comum é redistribuir ar de combustão “simples” a partir da fornalha inferior para a fornalha superior, a fim de manter um nível de NOx dentro dos limites legais. Isto pode ser feito porque a qualidade da lixívia como combustível melhorou. A secura da lixívia aumentou substancialmente nos últimos 10 anos, o que significa que o valor do aquecimento “conforme queimado” aumentou, o que facilita a redistribuição de ar “simples” de combustão para estes novos níveis de ar na fornalha superior.

Outros métodos semelhantes são conhecidos das WO-A-9605366, WO-A-9221815 e US-A-4823710. 4 O objecto da presente invenção é proporcionar um método que combine, de uma nova maneira, os efeitos positivos conseguidos cotn o ar enriquecido com oxigénio de acordo com as duas primeiras publicações acima referidas, com as vantagens do desenho actual da moderna caldeira de recuperação, a fim de reduzir ainda mais o factor ar na fornalha inferior, para maximizar a capacidade e minimizar as emissões, e isso foi conseguido de acordo com o conteúdo da reivindicação 1 anexa.

Breve descrição da invenção

Um dos princípios básicos da invenção é substituir algum do ar de combustão por ar enriquecido com oxigénio. O termo ar enriquecido com oxigénio é, neste contexto, definido como ar que possui um elevado conteúdo de oxigénio em comparação com o ar normal e que é obtido por meio da adição de proporções adequadas de oxigénio técnico, que é geralmente produzido com uma pureza de 90 - 95%. Ao fazer-se isso pode ser reduzida uma quantidade significativa do volume do gás, uma vez que a parte azoto do ar já não é fornecida à caldeira. Esta redução do volume do gás pode ser utilizada para queimar mais lixívia negra. Outro princípio é fazer-se essa redução do volume de gás, tanto quanto possível na fornalha inferior, onde o transporte tem origem. A fornalha inferior é definida, neste contexto, como a parte da fornalha situada por baixo dos pulverizadores de lixívia e ar “simples” está a ser definido como ar de combustão normal, com um conteúdo de oxigénio de 20,95% do volume. Quando o volume do gás diminui em baixo, onde a lixívia está a ser fornecida, a velocidade ascendente diminui, o que é o principal factor contributivo para o transporte e o entupimento da caldeira. (Quando esta velocidade limite tiver sido estabelecida por meio da utilização de ar “simples”, pode ser utilizada como um ponto de referência grosseiro de quanto mais lixívia pode ser queimada para manter basicamente a mesma velocidade ascendente quando o ar estiver a ser substituído por oxigénio puro. A razão para guardar uma referência grosseira é que a velocidade ascendente não é o único parâmetro a ser afectado quando o ar enriquecido com oxigénio está a ser introduzido. Também a dilatação das gotículas da lixívia negra, a densidade das gotículas, a secagem e a taxa de combustão, serão afectadas e tudo isso tem um impacto sobre as características através das quais a gotícula será “transportada” ou não). Para reduzir ainda mais as velocidades do gás que entra na superfície superaquecedora e outras superfícies de aquecimento e 5

para minimizar o risco de colisão e depósito das partículas transportadas que ainda existam no gás, pode ser efectuada uma substituição parcial do ar presente na fornalha superior por ar enriquecido com oxigénio, mas não na mesma extensão que na fornalha inferior.

Esta redução adicional no volume do fluxo de gás (velocidade) irá melhorar também a condição de entrada para o precipitador electrostático, uma vez que uma velocidade reduzida e um conteúdo de humidade aumentado (em consequência de um balastro reduzido) irão melhorar a eficácia da recolha do precipitador e espera-se que evite que o precipitador se transforme no estrangulamento caso seja adicionada mais capacidade à caldeira. ......

Um terceiro princípio é manter na fornalha inferior basicamente a mesma temperatura que era utilizada com o uso de “ar simples”. Ao fazer-se isso, a capacidade pode ser ainda mais aumentada, ao mesmo tempo que se minimizam as emissões, especialmente de NOx. Quando se substitui ar por ar enriquecido com oxigénio na fornalha inferior, a temperatura adiabática e consequentemente a verdadeira temperatura de combustão aumentarão uma vez que menos balastro (carga morta) se encontra presente sob a forma de azoto gasoso frio, o qual de outro modo necessitaria de energia para aquecer até à temperatura de combustão. Este aumento de temperatura favoreceria a reacção não preferida do amoníaco com o oxigénio para formar NO. Devido ao facto de ser necessária menos energia na fornalha inferior quando a carga morta (sob a forma de azoto) é reduzida, o oxigénio do ar, que de outro modo seria necessário para a combustão, pode ser retirado da fornalha inferior e ser fornecido na fornalha superior, pode conseguir-se uma combustão subestequiométrica mais gradual para equilibrar a necessidade estequiométrica de oxigénio para a combustão completa. Quanto mais ar enriquecido com oxigénio for adicionado, mais ar pode ser fornecido com suficiente oxigénio para gaseificar a lixívia negra, enquanto que o oxigénio restante deverá ser fornecido à fornalha superior com uma subsequente combustão completa dos componentes combustíveis no produto gasoso gerado na fornalha inferior. Esta super-redução do factor ar e as condições subestequiométricas na fornalha inferior suprimirão um aumento de temperatura e melhorarão ainda mais a invenção, uma vez que o volume 6 6

do gás e as velocidades ascendentes serão reduzidas ainda mais em comparação com o simples enriquecimento do ar com oxigénio. Esta redução adicional nas velocidades ascendentes permitirá que mais lixívia negra seja queimada. Esta nova maneira de operar uma caldeira de recuperação irá permitir uma produção substancialmente mais elevada, mantendo ao mesmo tempo baixos níveis de emissão. O limite inferior do factor ar é decidido pela necessidade de se sustentar a gaseificação da lixívia sem necessidade de qualquer combustível auxiliar e para evitar cortes e manter uma elevada eficácia de redução da fusão, mas em princípio a despeito do facto de que mais combustível (lixívia) está a ser fornecido à fornalha num ambiente enriquecido em oxigénio, a temperatura na fornalha inferior deverá ser controlada para cerca da mesma temperatura existente sem a adição de oxigénio ao ar. Isto pode ser conseguido por meio da elevação do conteúdo de oxigénio por baixo dos pulverizadores de lixívia, ao mesmo tempo que se reduz o factor ar e quanto mais elevado for o conteúdo de oxigénio menos gás inerte ou balastro (peso morta) estará presente, o que proporciona um factor ar mais baixo e mais condições subestequiométricas e mais ar retirado e maior capacidade podem ser conseguidos. O limite superior será determinado por factores económicos, aspectos de segurança no manuseamento do oxigénio e outros factores limitativos da capacidade da caldeira, coisas como limitação vapor/água, por exemplo rácio de circulação. Um limite superior prático foi definido em cerca de 30% em volume do conteúdo de oxigénio como uma média de ar de combustão na fornalha inferior, nas caldeiras de recuperação existentes, e para a as novas caldeiras um limite superior prático de cerca de 50% de conteúdo de oxigénio por volume. A razão para o valor mais elevado nas novas caldeiras é que as condutas de circulação, configuração da caldeira, sistemas de ar, etc., podem ser desenhados para esta condição desde o início. A Fig. 2 dos desenhos juntos mostra esquematicamente o efeito sobre o aumento potencial da capacidade da caldeira e o aumento na temperatura adiabática de combustão a diversos níveis de oxigénio, definidos como velocidades ascendentes constantes do gás por baixo dos pulverizadores da lixívia, isto é, a carga da caldeira foi aumentada reduzindo-se ao mesmo tempo o balastro para o ponto onde as velocidades 7

/ /' \ ascendentes do gás são mantidas constantes, mas sem compensar um aumento de Lemperalura.

Na Fig. 2 é esquematicamente mostrado um cenário quer poderia muito bem ser praticado se não houvesse restrições às emissões de NOx e/ou às emissões de poeiras, ou se a emissões pudessem ser controladas de qualquer outra maneira. O único inconveniente seria um consumo mais elevado de oxigénio em comparação com o método acima descrito da gaseificação super faseada.

Na Fig. 3 está esquematicamente ilustrado o efeito do aumento potencial da capacidade da caldeira a velocidades ascendentes constantes do gás, isto é a carga da caldeira foi aumentada ao mesmo tempo que se reduziu o balastro através de 1) enriquecimento com oxigénio do ar de combustão e 2) retirada do ar da fornalha inferior e seu envio para a fornalha superior para suprimir um aumento de temperatura até ao ponto em que a velocidade ascendente do gás seja mantida constante.

Uma forma de operar referida como Gaseificação Super Faseada deverá ser empregue quando for necessária uma capacidade extra ao mesmo tempo que se mantêm níveis de emissão abaixo das necessidades regularizadoras e onde tenha interesse minimizar a necessidade de fornecimento extra do ar enriquecido com oxigénio.

Um terceiro cenário de operação poderia ser a combinação dos dois acima referidos, onde por alguma razão a caldeira de recuperação necessite de ser accionada a um nível de temperatura mais elevado na fornalha inferior sem por em perigo os níveis de emissão operacionais permitidos e em que valha a pena pagar o prémio extra pelo consumo de oxigénio para se conseguir esse nível mais elevado de temperatura.

0 efeito positivo de se elevar o conteúdo de oxigénio e empregar a gaseificação super faseada com uma atmosfera redutora mais pronunciada na fornalha inferior devido ao factor ar inferior é, conforme referido anteriormente, que pode ser reduzida a emissão nociva de NOx do combustível. O NOx do combustível é formado principalmente durante a gaseificação e a fase de queima de carbonização do processo de combustão. A 8

Fig. 4 mostra esquematicamente como é que as reacções do combustível - N têm lugar nos processos de combustão da lixívia negra. O azoto ligado ao combustível é libertado durante a fase de gaseificação (pirólise) e forma aminas, principalmente amoníaco e numa atmosfera de temperatura oxidante elevada o amoníaco vai sendo oxidado para óxido de azoto. Esta condição ocorrerá se o ar enriquecido com oxigénio for substituindo “ar simples” sem mais nenhuma compensação de remoção de ai (oxigénio) para uma elevação maior na caldeira. Por meio do emprego da gaseificação super faseada, em que o oxigénio do ar é redistribuído a um nível mais elevado para dentro da caldeira (acima dos pulverizadores da lixívia) , tem lugar uma combustão mais faseada, conforme anteriormente descrito e é criada uma atmosfera redutora enriquecida com combustível na fornalha inferior. As condições do gás rico em combustível formado sob condições de pirólise subestequimétricas deverão ser mantidas durante tanto tempo quanto possível (super faseadas) antes que entre em contacto com o ar sobreaquecido para combustão completa. Desta maneira o azoto ligado ao combustível teve tempo para se converter em azoto gasoso livre (ver Fig. 5), uma vez que a molécula de amoníaco é termodinamicamente instável em condições de redução, durante a manutenção dos níveis de temperatura com que se está a lidar, decompondo-se a molécula de amoníaco simplesmente para libertar o azoto gasoso (N2) e hidrogénio (¾). Deverá notar-se que na curva inferior da Fig, 5 uma temperatura “alta” favorece a formação de NOx através da reacção NH3+02 que dá, entre outros, NO+H2O a despeito do que a temperatura fica ainda abaixo do ponto em que se forma 0 NOx térmico, isto é uma temperatura elevada na fornalha inferior gera a formação de NOx, mas não através do NOx térmico e sim através da reacção acima descrita.

Muito embora seja inevitável que uma certa quantidade de NOx seja formada enquanto na camada onde 0 ar enriquecido com oxigénio contacta pela primeira vez com o combustível, ocorre uma zona sobreestequiométrica. Devido ao gás rico em combustível que entra na zona B (ver Fig. 4), onde contacta com o ar sobreaquecido, tem lugar no entanto um efeito de requeima, o qual reduz 0 deslize do NOx a um mínimo. 9

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Embora a gaseificação super faseada seja mais adequada para as caldeiras de recuperação existentes, onde já existe uma restrição física, pode também ser aplicada a novas caldeiras de recuperação, pelo que podem ser construídas mais pequenas para uma determinada carga, em comparação com as caldeiras de recuperação que funcionam com “ar simples”.

Outro benefício de se usar ar enriquecido com oxigénio na fornalha inferior e especialmente ao nível do ar primário, é que o processo de apagamento de uma caldeira pode ser tomado mais rápido e mais simples, porque o conteúdo aumentado de oxigénio aumentará a taxa de combustão do carvão residual. A necessidade e o benefício de também se enriquecerem os níveis do ar com oxigénio na fornalha superior, além do que foi referido anteriormente, é que dispendiosas perdas de rendimento desses níveis de ar podem ser minimizadas, uma vez que o aumento do volume devido à redistribuição do ar da fornalha inferior a cargas superiores pode ser reduzido. De outro modo seriam necessárias mais entradas de ar e uma capacidade de ventilação superior.

Para se utilizar totalmente o benefício do ar enriquecido com oxigénio da caldeira inferior e para manter uma boa penetração na fornalha, a pressão na caixa de arejamento poderá ser aumentada.

Lisboa, 1 7 DEZ, Z0O1

Maria Silvina Ferreira ADVOGADA

Agente Oficial de Propriedade Industrial -. Castilho, 50-5?- 1250 - 071 LISBOA Te!. 21 381 50 50 - Fax. 21 383 1150

Claims (2)

1. / REIVINDICA ÇÕES Método para a gaseificação da lixívia negra em caldeiras de recuperação do tipo que possui uma porção inferior, referida como uma fornalha inferior e uma porção superior, referida como fornalha superior, pulverizadores de lixívia negra para a introdução de lixívia negra proporcionadas na caldeira acima da fornalha inferior e um certo numero de níveis de ar de combustão, caracterizado por se adicionar ar enriquecido com oxigénio ao ar de combustão ou directamente para o interior da fornalha inferior a pelo menos um nível de ar, por baixo dos pulverizadores de lixívia, ao mesmo tempo que se baixa o factor ar e se cria assim as condições de redução e uma temperatura controlada na fornalha inferior para controlo da emissão. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela redução da energia necessária na fornalha inferior por meio da diminuição do balastro em forma de azoto contido no ar normal de combustão redistribuído e criação de características aperfeiçoadas de combustão na fornalha superior por meio da introdução nela deste ar de combustão redistribuído, permitindo a redução significativa da velocidade ascendente do gás por baixo dos pulverizadores de lixívia, permitindo que mais lixívia negra seja queimada até ao nível onde o transporte de gotículas de lixívia negra, mistura fundida, carvão etc., se tome o ponto de estrangulamento da caldeira. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser aplicado a uma caldeira nova, a qual pode por isso ser construída mais compacta do que uma caldeira de recuperação que utilize apenas ar de combustão normal e conseguir ainda uma capacidade mais elevada e menores emissões. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela criação na fornalha inferior de uma zona subestequiométrica com condições redutoras e controlo da temperatura parta decompor o amoníaco formado sob a fase de secagem, a fase de pirólise e gaseificação e a fase de queima de carbonização/fusão em azoto gasoso livre (N2) e hidrogénio. Método de acordo com a reivindicação 2 e 4, caracterizado pela distribuição super faseada do oxigénio do ar na fornalha inferior e do ar enriquecido com oxigénio adicionado à fornalha superior para manter as condições de redução num nível de ar acima dos pulverizadores de lixívia negra e uma combustão de requeima num nível de ar mais elevado para criar um tempo de residência suficiente para as moléculas de alumínio criadas a partir do ar de combustão se decomporem em azoto livre e para reduzir a pequena quantidade NOx ainda existente na zona de requeima. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo enriquecimento de todos os níveis de ar na fornalha superior por meio de ar enriquecido com oxigénio além do que é apresentado na reivindicação 1, provocando assim a redução da velocidade do gás que entra nas secções de superaquecimento e da entrada para um precipitador, a fim de minimizar respectivamente o risco de obstrução/obturação de superfícies de aquecimento e deterioração da eficiência da recolha do precipitador. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela redução do volume de ar por meio do enriquecimento dos níveis de ar na fornalha superior e assim reduzir a necessidade de aberturas de ar adicionais na parte pressurizada, as quais de outra maneira seriam necessárias para facilitar a gaseificação super faseada. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo enriquecimento de todos os níveis de ar na fornalha inferior com oxigénio durante 0 processo de encerramento da caldeira para aumentar a taxa de queima das escórias de carvão e encurtar 0 tempo necessário para queimar 0 leito.
2. 9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ainda por redistribuir a partir da fornalha inferior ar de combustão não necessário ali, a seguir à referida adição de ar enriquecido com oxigénio e introdução do referido ar de combustão redistribuído na fornalha superior. Lisboa, \ 7 QE2. 2001

   Maria Silvina Ferreira ADVOGADA Agente Cficial de Propriedade Industriai '-* Castilho, 50 - 5? - 1250 - 071 LISBOA fel. 21 381 50 50 - Fax. 21383 1150