BR102014000846A2

BR102014000846A2 - Método e dispositivo para proteger tubos de trocador de calor e um componente cerâmico

Info

Publication number: BR102014000846A2
Application number: BRBR102014000846-2A
Authority: BR
Inventors: Toralf Weber; Johannes Martin
Original assignee: Martin Umwelt & Energietech
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2014-11-25
Also published as: EP3018411A3; AU2018201234B2; BR102014000846B1; ES2626840T3; DK3018411T3; PT2754961T; SG2014002919A; DE102013000424A1; EP2754961B1; EP2754961B2; US20140196873A1; DK2754961T3; US10520266B2; HK1199921A1; CA2839217C; AU2014200208B2; AU2014200208A1; EP3018411B1; AU2018201234A1; EP3018411A2

Abstract

RESUMO Patente de Invenção: "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA PROTEGER TUBOS DE TROCADOR DE CALOR E UM COMPONENTE CERÂMICO". A presente invenção refere-se a um método para proteger um tubo de trocador de calor em sistemas de caldeira que têm pelo menos um tubo de trocador de calor, o qual está circundado por um componente cerâmico, dentro do qual um gás de combustão é direcionado de pelo menos dois lados opostos, um gás é introduzido entre o tubo de trocador de calor e o componente cerâmico

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA PROTEGER TUBOS DE TROCADOR DE CALOR E UM COMPONENTE CERÂMICO". [001] A presente invenção refere-se a um método para proteger tubos de trocador de calor em sistemas de caldeira que têm pelo menos um tubo de trocador de calor, o qual está circundado por um componente cerâmico, dentro do qual um gás de combustão é direcionado de pelo menos dois lados opostos. A invenção ainda refere-se a um dispositivo que tem um tubo de trocador de calor, do qual uma superfície circunferencial está circundada por pelo menos um componente cerâmico, e um componente cerâmico. [002] Uma das funções dos tubos de trocador de calor em sistemas de caldeira é evaporar a água, e outra função é superaquecer a água vaporizada. As temperaturas dentro dos tubos de trocador de calor de maiores sistemas de caldeira com uma turbina a jusante são requeridas ser tão altas quanto possível, já que a eficiência da turbina a jusante aumenta conforme a temperatura sobe. [003] Uma desvantagem associada especificamente com os incineradores para queimar combustíveis sólidos, tal como os incineradores de refugo e biomassa, é que os tubos de trocador de calor tornam-se corroídos. No curso de muitas investigações, foi estabelecido que esta corrosão é induzida por depósitos de cinzas e sais deixados aderidos aos tubos. Os compostos de fase de gás no gás de combustão, tal como HCI e S02, afetam a composição destes depósitos, mas não resultam diretamente em ataques corrosivos sobre estas peças. [004] Taxas de corrosão de até um milímetro por 1.000 horas podem ser observadas em usinas de incinerador de refugo e biomassa. [005] De modo a ajudar a proteger contra a corrosão, elementos de isolamento cerâmicos e revestimentos metálicos são utilizados, a-plicados ou como soldas de acúmulo ou por pulverização térmica. [006] A Patente Alemã Número DE 38 23 439 C2 descreve um componente protetor pré-sinterizado feito de elementos de meio invólucro intertravantes. Estes elementos de invólucro, os quais são de preferência feitos de carbureto de silício, não se mostraram especificamente bem sucedidos na prática, porque o material requerido precisava ser relativamente espesso e pesado de modo a suportar a carga à qual este está exposto. O componente protetor foi preenchido com argamassa. Como a disposição de intertravamento não permitia nenhuma expansão térmica, as altas temperaturas de operação faziam os invólucros rachar e até estourar. [007] Outra luva protetora cerâmica feita de meios invólucros de carbureto de silício sobrepostos está descrita na DE 20 2008 006 044 UI. [008] Elementos de isolamento cerâmicos sobre as paredes, tal como são descritos na DE 198 16 059 A1 e EP 0 981 015 A1 mostraram ser efetivos sobre as paredes do forno. Por outro lado, a utilização de invólucros protetores cerâmicos para os tubos de trocador de calor sobre os quais um gás de combustão flui de todos os lados não é praticável, especificamente na área de superaquecimento. Além da carga estática da construção de aço, os tubos de trocador de calor estão expostos a cargas mecânicas na área de superaquecimento durante a limpeza. [009] Mecanismos batedores que operam mecanicamente sobre os tubos na área de superaquecimento para remover os depósitos são amplamente utilizados. Métodos que utilizam água e sopradores de vapor são também utilizados em tentativas de remover os depósitos. Isto causa tensões químicas adicionais. Estas tensões limitam severamente as áreas nas quais os elementos de isolamento cerâmicos podem ser utilizados para proteger contra a corrosão na área de superaquecimento. [0010] Nos dutos de radiação, as soldas de acúmulo mostraram ser uma medida de proteção de corrosão efetiva. O material 2.4858 (Inconel 625) se estabeleceu como o material de soldagem de preferência. [0011] No entanto, as temperaturas de material acima de 400°C, tal como são encontradas na área de superaquecimento e na área de vaporização sob elevadas pressões de operação, limitam significativamente a proteção de corrosão oferecida por este material. A utilização de outros materiais de enchimento de solda, tal como 2.4606 (Inconel 686) não provê nenhum aperfeiçoamento em relação a outros materiais de enchimento. [0012] Métodos de pulverização térmica estão sendo utilizados cada vez mais frequentemente como um método de proteção de corrosão. Experimentos com uma ampla variedade de composições de materiais como a camada de proteção de corrosão sobre várias peças de caldeira revelaram que tais camadas protetoras podem falhar imprevisível mente após um curto tempo. As camadas protetoras de tal tipo aplicadas por pulverização térmica são assim também incapazes de prover uma proteção contra corrosão de longo prazo, operacionalmente confiável. [0013] O método de proteção de corrosão também afeta a eficiência do gerador de vapor. A maioria das usinas de combustão de refugo e biomassa são somente operadas com temperaturas de vapor de 400°C a 4 MPa (40 bar), de modo a limitar os efeito sde corrosão. Se os parâmetros de vapor forem aumentados, as taxas de corrosão nos tubos de caldeira também sobem substancialmente, por meio disto reduzindo a disponibilidade operacional da usina. As medidas conhecidas para proteger da corrosão não proveem aperfeiçoamentos satisfatórios neste aspecto. [0014] O problema tratado pela invenção é, portanto reduzir significativamente a corrosão de tubos de trocador de calor em sistemas de caldeira de vapor mesmo a temperaturas bem acima de 400°C. [0015] Este problema é resolvido com um método para proteger os tubos de trocador de calor em sistemas de caldeira que têm pelo menos um tubo de trocador de calor, o qual está circundado por um componente cerâmico, dentro do qual um gás de combustão é direcionado de pelo menos dois lados opostos, em que o gás é alimentado para dentro do espaço adjacente ao componente cerâmico. Neste contexto, para os propósitos da invenção, o termo gás é compreendido ser um fluido de fase de gás, um fluido líquido e qualquer fluido em quaisquer estados agregados entre os dois, assim como várias formas de vapor. [0016] A invenção está baseada na percepção que mesmo os tubos de trocador de calor que passam sem suporte através da câmara de combustão, e estão de preferência suspensos do seu teto, podem ser protegidos efetivamente com componentes cerâmicos se um gás for suprido entre o tubo de trocador de calor e o elemento cerâmico. [0017] Os tubos de trocador de calor que estão suspensos livremente dentro da chaminé de fumaça são somente acessíveis em uma extremidade. Se um gás for alimentado para dentro de uma área entre o tubo de trocador de calor e o elemento cerâmico, existe um risco que este gás escapará imediatamente para dentro da câmara de combustão através das primeiras folgas entre os elementos cerâmicos, e não provenha uma proteção efetiva para todos os tubos de trocador de calor. Consequentemente, o suprimento de gás era somente utilizado para os tubos de trocador de calor sobre paredes de membrana de sistemas de caldeira, porque ali é fácil de fornecer o gás para qualquer área dos tubos de trocador de calor, e especificamente para as áreas que estão expostas a extremas tensões térmicas. [0018] As áreas de tubos de trocador de calor dispostos dentro de uma caldeira que são expostas a extremas tensões térmicas estão a uma grande distância das paredes de membrana e são, portanto difíceis de alcançar com o gás suprido. Mais ainda, a introdução de gás demais na câmara de combustão dos dutos de descarga tem um efeito negativo sobre a eficiência do sistema. [0019] No entanto, foi descoberto que, com uma pressão e um projeto apropriados dos elementos cerâmicos, um gás pode ser fornecido para as áreas do tubo de trocador de calor que estão expostas ao carregamento térmico mais pesado, e então protege o tubo de trocador de calor dentro de uma folga entre o tubo de trocador de calor e o elemento cerâmico em que uma ligeira sobrepressão é criada pelo gás e impede que os gases de descarga escapem através do componente cerâmico para os tubos de trocador de calor. [0020] A câmara pode compreender várias partes. Esta de preferência consiste somente no tubo de trocador de calor e no componente cerâmico. [0021] É especificamente vantajoso se o gás for fornecido no ponto mais quente no tubo de trocador de calor e o elemento cerâmico, o resultado disto é que o gás está sob a pressão mais alta no ponto onde o tubo de trocador de calor está sob uma tensão térmica específica. Dependendo da construção do sistema de caldeira, pode também ser vantajoso fornecer o gás no ponto onde a pressão de gás de combustão é a mais alta, isto quer dizer, onde a contrapressão sobre o elemento cerâmico é a mais alta. [0022] O componente cerâmico pode estar configurado de modo que o gás suprido seja roteado através do componente cerâmico. No entanto, como o componente cerâmico é usualmente construído de uma pluralidade de elementos cerâmicos, existe um risco que o gás fornecido possa escapar prematuramente entre os elementos cerâmi- cos, com o resultado que todas as áreas do tubo de trocador de calor poderíam não ser expostas ao gás. Mesmo uma camada de argamassa que é de preferência aplicada entre os elementos cerâmicos e conecta os ditos elementos cerâmicos é frequentemente incapaz de impedir que o gás escape. [0023] Portanto, é sugerido introduzir o gás através de um tubo incluído no componente cerâmico. Este tubo pode ser feito de cerâmica, e, por exemplo, pode também ser construído de múltiplos elementos de tubo. No entanto, este tubo é de preferência um tubo metálico. Como este tubo está envolvido pelo componente cerâmico e o seu interior é resfriado pelo gás que é passado através deste, o gás pode ser fornecido dentro de um tubo metálico para o local de um tubo de trocador de calor que está sob a maior carga térmica. Dali, o gás pode ser distribuído, e o gás continua a funcionar como uma proteção para os tubos de trocador de calor mesmo se o componente cerâmico formar um revestimento estanque ao gás. Este tubo está de preferência disposto entre os tubos de trocador de calor. Este está de preferência disposto no meio entre um tubo de trocador de calor de entrada de fluxo e um de saída de fluxo. [0024] O gás que é alimentado para dentro da área entre o tubo de trocador de calor e o elemento cerâmico no ponto da contrapressão mais alta pode fluir ao longo do tubo de trocador de calor dentro de folgas entre o tubo de trocador de calor e o componente cerâmico, de modo a impedir que o gás de combustão entre no tubo de trocador de calor ao longo do comprimento inteiro dos tubos de trocador de calor. [0025] Especificamente no caso de tubos de trocador de calor muito longos, pode ser vantajoso introduzir o gás em múltiplos pontos. Portanto, é sugerido que o gás seja suprido através de uma pluralidade de aberturas em um tubo de gás dispostas a distâncias definidas ao longo do comprimento do tubo de trocador de calor. O gás que serve como o ar de barreira pode então ser fornecido através de uma pluralidade de meios de alimentação dispostos em toda extensão até o su-peraquecedor de radiação. Este fornecimento pode ser afetado através de aberturas ou furos entre um canal de suprimento de ar central e os tubos de superaquecimento dentro do componente cerâmico, o qual pode ser construído como um pacote de tijolos formados. Se existir uma falha nos componentes cerâmicos, isto resulta em um suprimento assegurado com ar de barreira mesmo acima do local de dano. [0026] A tarefa fundamental da invenção é também resolvida com um dispositivo que tem um tubo de trocador de calor, do qual a superfície circunferencial está circundada por pelo menos um componente cerâmico, e o qual compreende um suprimento de gás para um espaço adjacente ao tubo de trocador de calor e ao componente cerâmico. O dispositivo refere-se a tubos de trocador de calor que não são somente protegidos sobre um lado por um componente cerâmico, mas em que a sua superfície circunferencial está também circundada por pelo menos um componente cerâmico. Deste modo, a superfície circunferencial inteira do tubo de trocador de calor está circundada e protegida pelo componente cerâmico, enquanto que a alimentação de gás assegura que nenhum gás de combustão seja capaz de escapar para dentro do tubo de trocador de calor através de folgas no componente cerâmico. [0027] Como a superfície circunferencial do tubo de trocador de calor está circundado pelo componente cerâmico, é sugerido que a alimentação de gás aconteça primeiro na direção dos tubos de trocador de calor dentro do componente cerâmico, antes do gás fluir de volta na direção do comprimento dos tubos de trocador de calor e acumular uma pressão de gás nas folgas no componente cerâmico, portanto impedindo que o gás de combustão entre. [0028] A alimentação de gás deve, portanto compreender um ventilador. O dito ventilador permite que a pressão de gás seja ajustada de modo que não muito gás flua através do componente cerâmico e para dentro da câmara de combustão, e por outro lado que uma con-trapressão suficiente seja acumulada sobre o comprimento dos tubos de trocador de calor para impedir que os gases de descarga infiltrem nos tubos de trocador de calor. [0029] De modo a realizar este propósito simplesmente, é sugerido que o suprimento de gás compreenda um tubo de gás que passa dentro do componente cerâmico. O roteamento dentro do componente cerâmico prende o tubo de gás e permite que o tubo de gás seja suportado pela cerâmica do componente cerâmico. [0030] Em muitas aplicações, os tubos de trocador de calor suspensos dentro da câmara de combustão são dobrados em uma forma de U para direcionar a água ou o vapor para dentro da câmara de combustão e removê-lo desta. Com tal configuração, é sugerido que a alimentação de gás termine na área de dobra. Isto torna possível especificamente resfriar a área de dobra, a qual é especificamente pesa-damente carregada, com o gás recentemente suprido, e/ou de preferência para acumular uma contrapressão neste local carregado, o que impede que os gases de descarga penetrem tão longo quanto o tubo de trocador de calor. [0031] De modo a assegurar um suficiente suprimento de ar de barreira mesmo no caso de uma falha no componente cerâmico, é sugerido que o tubo de gás compreende uma pluralidade de aberturas posicionadas a uma distância umas das outras ao longo do comprimento do tubo de trocador de calor. Estas aberturas estão de preferência providas em toda extensão até o superaquecedor de radiação ou ao longo do comprimento do tubo de trocador de calor. [0032] O gás suprido é tipicamente ar. No entanto, um gás que promove a combustão ou afeta a combustão, tal como o oxigênio, pode ser utilizado. Assim, por exemplo, um gás de combustão ou um gás de combustão especificamente recirculado após um aparelho de depuração de gás pode também ser introduzido como o gás. [0033] Tanto para o método quanto para o dispositivo de acordo com a invenção, um componente cerâmico que contém de preferência mais de 85% de carbureto de silício e que consiste em pelo menos dois elementos cerâmicos cuboides que têm uma seção transversal de corrugações arqueadas que estão presos um no outro por calhas de corrugação correspondentes, de modo que duas seções de tubo de trocador de calor possam ser dispostas dentro de duas calhas de corrugação opostas e uma seção de tubo de gás de alimentação pode estar disposta em duas calhas de corrugação opostas entre o dito par de calhas de corrugação. [0034] Com tal componente cerâmico, as seções de tubo de trocador de calor podem ser protegidas, um gás pode ser introduzido e uma pressão de gás pode ser criada entre os elementos cerâmicos para impedir que os gases de descarga fluam para dentro das seções de tubo de trocador de calor em um modo especificamente simples. Neste contexto, o componente cerâmico está de preferência construído de tal modo que o contato entre o tubo de trocador de calor e o elemento cerâmico seja evitado. [0035] O método e uma modalidade vantajosa assim como o elemento cerâmico estão representados no desenho e serão descritos a seguir. No desenho: [0036] Figura 1 mostra o primeiro duto de um sistema de caldeira que tem espiras de superaquecedor suspensas do teto, [0037] Figura 2 mostra uma seção transversal através do duto da Figura 1 ao longo da linha A-A, [0038] Figura 3 é uma ilustração diagramática ampliada de tubos de trocador de calor com elementos cerâmicos, [0039] Figura 4 mostra uma seção transversal através de um elemento cerâmico para um tubo dobrado, e [0040] Figura 5 mostra uma seção transversal através de um elemento cerâmico para tubos retos. [0041] O sistema de caldeira 1 mostrado na Figura 1 consiste em uma grelha 2, uma câmara de combustão 3 e uma espira de supera-quecedor 5 suspensa do teto 4. A espira de superaquecedor 5 está circundada por um componente cerâmico 6, o qual consiste em uma pluralidade de elementos cerâmicos 7, os quais estão conectados uns nos outros por argamassa. O componente cerâmico 6 está conectado a um ventilador 9 através de uma linha 6, e tubos de trocador de calor 10 da espira de superaquecedor 5 estão conectados a um sistema de caldeira 11. [0042] Com esta configuração, é possível alimentar ar entre os tubos de trocador de calor 10 e o componente cerâmico 6 através de canais 12 do ventilador 9 e dos tubos de gás 13. Como o componente cerâmico 6 consiste em uma pluralidade de elementos cerâmicos 7, os quais ficam no plano um com o outro mas não estão conectados, e a argamassa entre estes frequentemente não forma uma vedação confiável, no caso de um vazamento é possível que o ar flua através do componente cerâmico 6 e para dentro do duto de gás de combustão 14, por meio disto impedindo que o gás de combustão do gás de combustão 14 que escapa alcance os tubos de trocador de calor 10. [0043] A Figura 2 mostra um teto 4 de um duto de gás de combustão 14 com o sistema de caldeira 11.0 teto 4 está de preferência construído de tal modo que abrindo o teto 4 não somente os tubos de trocador de calor 10 mas também os tubos de gás 13 possam ser passados em uma linha reta através do duto de descarga de gás 14. Nes- te contexto, é vantajoso se um elemento cerâmico 7 do componente cerâmico 6 projetar através do teto 4, para assegurar que os tubos de trocador de calor 10 dentro do duto de gás de combustão 14 estejam completamente cobertos mesmo no caso de variações no sentido de comprimento na área de tubos de trocador de calor 10 e de elementos cerâmicos 7. [0044] A extremidade inferior de uma parte da espira de supera-quecedor 5 ilustra na Figura 3 mostra duas placas arqueadas 20, 21 e uma placa cuboide 22. Cada placa consiste em dois elementos cerâmicos 23, 24, 25, 26 e 27, 28. As placas arqueadas 20, 21 consistem em dos elementos 23, 24 e 25, 26, os quais estão presos um no outro através de uma conexão roscada 29, 30 e 31, 32, de modo que cada elemento cerâmico forme dois lados opostos do componente cerâmico 6, para o qual o gás de combustão pode ser direcionado. [0045] A placa cuboide 22, formada de dois elementos cerâmicos cuboides 27, 28, está representada em uma posição aberta, mostrando as corrugações 34 sobre o interior de elementos cerâmicos 27, 28, as quais casam umas com as outras para formar um espaço circular 48, 49 para a entrada de fluxo e saída de fluxo do tubo de trocador de calor em forma de U 10, e um espaço 50 entre estes para o tubo de gás 13. O arco em forma de U do tubo de trocador de calor 10 e o ro-teamento de tubo de gás 13 estão indicados com uma linha tracejada. Isto mostra que o tubo de gás 13 de alimentação de gás 12 termina com uma abertura 36 na área do arco 35. [0046] A Figura 4 mostra uma seção transversal através da placa arqueada 20 com conexões roscadas 29 e 30. Os lados internos dos elementos 23 e 24 cada um tem duas calhas de corrugação 36, 37 e 38, 39 para acomodar o tubo de trocador de calor 10, e duas calhas de corrugação 40, 41 entre estas para acomodar o tubo de gás 13. [0047] Em uma construção correspondente, a Figura 5 mostra a placa cuboide 22 construída de dois elementos cerâmicos 27, 28, os quais estão presos um no outro em um modo de travamento positivo, e os lados internos dos quais estão equipados com calhas de corruga-ção 42 a 45 para um tubo de trocador de calor 10, e calhas de corru-gação 46, 47 para o um tubo de gás. [0048] O tubo de gás 13 pode incluir furos 51, 52, 53 dispersos sobre o seu comprimento de modo a assegurar que, se um componente cerâmico desenvolver uma falha, as áreas de tubo de trocador de calor acima da área defeituosa continuarão a ser supridas com gás.

Claims

1. Método para proteger os tubos de trocador de calor (10) em sistemas de caldeira (1) que têm pelo menos um tubo de trocador de calor (10), o qual está circundado por um componente cerâmico (6), dentro do qual um gás de combustão é direcionado de pelo menos dois lados opostos, caracterizado pelo fato que o gás é alimentado para dentro de um espaço (48, 49, 50) adjacente ao tubo de trocador de calor (10) e ao componente cerâmico (6).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaço (48, 49, 50) está formado pelo tubo de trocador de calor (10) e o componente cerâmico (6).

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás é alimentado no ponto mais quente entre o tubo de trocador de calor (10) e o componente cerâmico (6).

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o gás é alimentado através de um tubo de gás (13) que é roteado através do componente cerâmico (6).

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o gás é alimentado em múltiplos pontos.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o gás é alimentado através de uma pluralidade de a-berturas (51, 52, 53) dispostas a uma distância umas das outras em um tubo de gás (13) ao longo do comprimento do tubo de trocador de calor (10).

7. Dispositivo que tem um tubo de trocador de calor, do qual a superfície circunferencial está circundada por pelo menos um componente cerâmico (6) caracterizado por uma alimentação de gás (12) para um espaço (48, 49, 50) adjacente ao tubo de trocador de calor (10) e ao componente cerâmico (6).

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a alimentação de gás (12) compreende um ventilador (9).

9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a alimentação de gás (12) compreende um tubo de gás (13) que passa através do componente cerâmico (6).

10. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o tubo de trocador de calor (10) está dobrado em uma forma de U e a alimentação de gás (12) termina na área da dobra (35).

11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o tubo de gás (13) está equipado com uma pluralidade de aberturas (51, 52, 53) a uma distância umas das outras ao longo do comprimento do tubo de trocador de calor (10).

12. Componente cerâmico (6) que contém de preferência mais de 85 por cento de carbureto de silício e consiste em pelo menos dois elementos cerâmicos cuboides (7) que têm uma seção transversal de corrugações arqueadas (34) que estão presos um no outro por calhas de corrugação correspondentes, de modo que duas seções de tubo de trocador de calor possam ser dispostas dentro de duas calhas de corrugação opostas (36, 37 e 38, 39), e uma seção de tubo de alimentação de gás pode estar disposta dentro de duas calhas de corrugação opostas (40, 41) entre o dito par de calhas de corrugação.