PT99305A

PT99305A - Um bocal de fluidizacao uni-direccional e um sistema de leito fluidizado utilizando o mesmo

Info

Publication number: PT99305A
Application number: PT99305A
Authority: PT
Inventors: Iqbal Fazaleabbas Abdulally
Original assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Priority date: 1990-10-22
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 1994-01-31
Also published as: US5101576A; JPH04260709A; CA2053437A1; EP0482799A1; MX9101656A

Description

I

Titular: FOSTER WHEELER ENERGY CORPORATION

Epígrafe: UM BOCAL DE FLUIDIZAÇÃO UNI-DIRECCIONÃL E UM SISTEMA DE LEITO FLUIDIZADO UTILIZANDO O MESMO

MEMÓRIA DESCRITIVA

Antecedentes da Invenção

Esta invenção refere-se a um bocal de fluidização e com um sistema de leito fluidizado que o utiliza, e, mais particularmente, a um bocal e um sistema no qual um leito de material particulado contido num espaço é fluidizado pela introdução de ar no leito através do bocal.

Reactores de leito fluidizado, como gaseificadores, geradores de vapor, combustores e semelhantes, são bem conhecidos. Nestes arranjos, o ar pressurizado ou outro meio de fluidização passam, por um conjunto de bocais, através de um leito de material particulado, incluindo um combustível fóssil como o carvão, e um adsorvente para o enxofre gerado como resultado da combustão do carvão, para fluidizar o leito e promover a combustão do combustível a uma temperatura relativamente baixa. Os sólidos particulados arrastados são separados externamente do leito e reciclados de novo para o interior do leito. 0 calor produzido pelo leito fluidizado é utilizado em diversas aplicações como a geração de vapor, o que 1 resulta numa combinação atractiva de libertação elevada de calor, elevada adsorção de enxofre, baixas emissóes de óxidos de azoto e flexibilidade de combustível. 0 reactor de leito fluidizado mais tipico ê normalmente referido como leito fluidizado de "borbulhante", no qual o leito de material particulado tem uma densidade relativamente elevada e uma superfície superior bem definida ou distinta.

Outros tipos de reactores de leito fluidizado utilizam um leito fluidizado "circulante". De acordo com estes processos, a densidade do leito fluidizado está bem abaixo da do leito fluidizado borbulhante tipico, a velocidade ê superior à do leito borbulhante e o ar arrasta uma quantidade substancial de sólidos particulados e está substancialmente saturado com eles.

Em ambos os arranjos de leito fluidizado borbulhante ou circulante, uma câmara contendo ar encontra-se abaixo de uma placa, ou grelha, distribuidora de ar, para fornecer ar pressurizado a um conjunto de bocais de ar suportados por esta placa. Os bocais estendem-se por cima da placa e no interior do leito e descarregam o ar para o interior do leito.

Contudo, os sólidos contidos no leito podem circular em sentido inverso, ou gotejar, através dos bocais e para o interior da câmara, especialmente em ligação com leitos fluidizados circulantes, quando a unidade é desligada repentinamente enquanto operando com cargas máximas. Consequentemente , os sólidos acumular-se-ão na câmara de ar e bloquearão o fluxo de ar através dos bocais. De forma a minimizar o fluxo contrário, os bocais têm que ser desenhados com grande cuidado para se obter o melhor ângulo de descarga associado ao diâmetro do bocal, comprimento, 2 i

caracteristicas do material do leito, etc. Este facto é moroso e dispendioso, e contribui para os custos globais do sistema.

Este problema torna-se complexo guando o ângulo de descarga e direcção do bocal é especialmente critico, tal como em leitos fluidizados que utilizam fluidização do leito direccional e/ou diferencial, como está exposto na Patente Norte Americana No. 4.397.102, emitida em 9 de Agosto de 1983, e concedida ao mesmo cessionário da presente invenção.

RESUMO DA INVENÇÃO O objectivo da presente invenção é, portanto, fornecer um bocal de fluidização que introduz ar ou outro meio de fluidização de uma câmara num envólucro contendo um leito de material particulado. E ainda objectivo da presente invenção fornecer um bocal do tipo acima indicado, o qual é desenhado para reduzir ou eliminar o fluxo contrário dos materiais do leito, deste para a câmara de ar. E ainda objectivo da presente invenção fornecer um bocal do tipo acima que inclui uma montagem de válvula uni-direccional que evita o retorno do material do leito, do leito fluidizado para a câmara de ar. E ainda objectivo da presente invenção fornecer um sistema de leito fluidizado utilizando um conjunto de bocais do tipo acima referido.

Para a realização destes e de outros objectivos, o bocal de fluidização da presente invenção é montado numa placa distribuidora que suporta um leito de material particulado. O 3 bocal recebe o fluxo de ar da câmara localizada abaixo da placa, e distribui o ar para o interior do leito. 0 bocal inclui uma válvula uni-direccional ligada para evitar o fluxo contrário do material do leito para a câmara.

Descrição dos Desenhos A breve descrição acima, assim como outros objectivos, aspectos e vantagens da presente invenção, serão mais bem apreciados pela referência à descrição detalhada que se segue do arranjo presentemente preferido mas não menos ilustrativo, de acordo com a presente invenção, quando em conjunto com os desenhos que a acompanham, nos quais: A FIG.l é uma vista da secção vertical de um permutador de calor de leito fluidizado, mostrando um conjunto de bocais de fluidização da presente invenção; A FIG.2 é uma vista aumentada da secção vertical, de vim bocal de fluidização da FIG.l, em que o material do leito é omitido para uma maior clareza; e A FIG.3 é uma vista da secção transversal, ao longo das linhas 3-3 da FIG.2.

Descrição da Modalidade Preferida 0 bocal de fluidização da presente invenção será descrito em ligação com um permutador de calor na forma de um ebulidor, combustor, reactor de processo ou qualquer tipo de aparelho semelhante, utilizando um leito fluidizado borbulhante. 0 permutador de calor inclui um invólucro 10 que consiste numa parede frontal 12, uma parede de fundo 14, e duas paredes 4

laterais, uma das quais e referenciada pelo número 16. Cada parede pode ser composta por um conjunto de tubos, 18, que se estendem verticalmente, dispostos de forma paralela e espaçada, e ligados entre si por um conjunto de alhetas, 20, alongadas, estendendo-se por todo o comprimento dos tubos e ligadas às superfícies diametralmente opostas dos tubos, de uma forma convencional. A parte superior do invólucro 10 não é mostrada por conveniência de apresentação, subentendendo-se que consiste numa secção de convecção, uma cobertura, e uma saida, para permitir a descarga dos gases de combustão, também de forma convencional.

Um leito de material particulado, referenciado em geral pelo número 22, está disposto no interior do invólucro 10 e assenta numa placa perfurada ou grelha 24, que se estende horizontalmente na parte inferior do invólucro. O leito 22 pode consistir numa mistura de partículas distintas de material combustível, tal como carvão betuminoso, e um adsorvente tal como pedra calcária, para adsorçâo do enxofre libertado pela combustão do material combustível.

Uma câmara de ar, 26, encontra-se imediatamente abaixo da placa 24, e contêm um tubo de entrada 26a, através desta câmara para distribuição de gás pressurizado, como ar, de uma fonte externa (não representada) para a câmara, sob o controle de uma serie de amortecedores 28.

Um alimentador, 29, na zona superior do leito, estende--se através da parede frontal 12, recebe o carvão particulado, proveniente dos canais de entrada ou semelhantes (não representados), e está adaptado para alimentar as partículas de carvão para a superfície superior do leito 22. O alimentador 29 5 pode operar por descarga gravitica ou pode ser da forma de um alimentador tipo difusor ou qualquer outro mecanismo semelhante. Subentende-se que o alimentador pode também ser fornecido para descarregar o adsorvente no leito 22, e seria construído e disposto de forma semelhante à do alimentador 32.

Uma conduta de drenagem, 30, estende-se através da parede de fundo 14, e tem uma parte terminal de entrada 30a inscrita no interior do invólucro 10, em comunicação com a parte inferior do leito 22. A conduta 30 é então adaptada para receber o material do leito gasto, e tem como função a descarga, por gravidade, do material, do invólucro 10 para um arrefecedor de rosca, correia de transporte ou semelhante (não representado). E fornecido vim queimador acendedor do leito 32 para fazer a ignição inicial do leito, durante o arranque, de maneira convencional, sendo entendido que um queimador adicional (não representado) pode ser colocado no tubo 26a com esta finalidade.

Um par de cabeças horizontais 34a , estão ligadas com comunicação de fluido com os tubos 18, formando a parede frontal 12 e a parede de fundo 14, respectivamente, e uma outra cabeça horizontal, 34b, está ligada com comunicação de fluido com os tubos 18 formando a parede lateral 16. E entendido que cabeças semelhantes são fornecidas em comunicação com ambas as extremidades da outra parede lateral e das extremidades superiores das paredes 12 e 14. Consequentemente, um fluido a ser aquecido pode ser feito passar sequencialmente e simultaneamente através das paredes 12, 14 e 16 para captar o calor do leito fluidizado de forma convencional. t

Um conjunto de bocais de fluidização, cada um referido em geral pelo número 36, estende-se através das aberturas formadas, e são suportados pela placa 24. Assim, o ar vindo da câmara 26 entra em cada bocal 36 e é descarregado de uma zona horizontal de descarga do mesmo para o interior do leito 22. A velocidade do ar nos bocais 36 é tal que o material do leito que se estende acima das porções horizontais dos bocais é fluidizado e ar, passa através do leito e ascende, por convecção, no invólucro 10 com os produtos gasosos de combustão, antes da descarga da saida (não representada) na porção superior do invólucro. Também se forma uma camada inactiva de material particulado em torno dos bocais 36, que actua como isolante na placa 24, do calor gerado no permutador de calor que se estende acima dos bocais 36.

0 bocal 36 é mostrado em detalhe nas FIGS. 2 e 3. Cada bocal 36 inclui uma porção tubular vertical, 38, que se estende através da abertura correspondente na placa 24, e está ligada à placa de qualquer maneira convencional tal como por soldagem. A porção tubular 38 inclui uma parte inferior roscada externamente, 38a, projectando-se abaixo da placa 24 para recebimento do ar da câmara 26, e uma porção superior 38b que se estende acima da placa e para o interior do leito fluidizado 22. O bocal 36 também inclui uma porção de descarga 38c, circunscrita com uma abertura formada através da porção terminal superior da porção superior do bocal 38b. A porção de descarga 38c estende-se descendentemente com um ligeiro ângulo relativamente à horizontal. Assim, o ar viaja ascendentemente através das porções do bocal 38a e 38b, antes de entrar na porção de descarga 36c e ser descarregado para 7 * o interior do leito fluidizado 22.

Um membro anelar superior 39 está ligado à porção superior do bocal 38b, e mantém-se contra a superfície superior da placa 24 para manter o bocal na posição mostrada. Uma junta, 40, roscada internamente, estende-se imediatamente abaixo da placa 24 e está segura por rosca com a porção roscada do bocal inferior 38a. Depois do bocal 36 ser inserido através da abertura na placa 24, a junta 40 pode ser avançada ascendentemente na porção inferior do bocal 38a, até se encaixar na superfície inferior da placa 24 para fixar o bocal 36 na posição mostrada. A montagem de uma válvula 42 está ligada à porção terminal inferior da porção inferior do bocal 38a. A montagem 42 inclui uma câmara 44, contendo uma porção cilíndrica superior 44a, e uma porção ôca ampliada 44b que se estende da porção cilíndrica definindo uma câmara 42c. Um parafuso, 45, estende-se através de uma abertura na porção cilíndrica 44a, e está ligado à porção inferior do bocal 38a para segurar a caixa 44 ao bocal 36.

Uma válvula de disco 46 está disposta na câmara 44c , e, da sua parte inferior estendem-se quatro varetas 48a, 48b, 48c e 48d. As varetas 48a-48d estendem-se através da abertura 44d, formada na base da caixa 44, e as suas respectivas partes finais têm uma curvatura de, aproximadamente, 90°. A função das varetas 48a-48d consiste em permitir o suporte da direcçâo da válvula de disco 46, quando se move no interior da câmara 44c, para controlar o fluxo de ar para o interior da câmara, e evitar o fluxo de retorno do material particulado do bocal 36 através da abertura 46d, como será descrito. As varetas 48a-48d também 8 Ο ’*Λ funcionam como limitantes do movimento superior da válvula de disco 46, em virtude das suas partes curvadas se encaixarem na superfície exterior da base da caixa 44, na posição superior da válvula 46.

Em operação, os amortecedores 28, associados à câmara 26 são abertos, e o gás pressurizado, como o ar, passa através da conduta 26a e da câmara, e ascendentemente contra as válvulas de disco 46 de cada um dos bocais 36. Isto força ascendentemente as válvulas de disco 46, e permite a entrada do ar para a câmara 44c de cada bocal 36, através da abertura 44d, e a sua passagem para o interior da extremidade da porção inferior do bocal 38a. O ar flui ascendentemente através das porções 38a e 38b do bocal e da porção de descarga do bocal 36c, antes de ser descarregado no leito 22 num circuito de descarga ligeiramente descendente acima do plano da placa 24. 0 ar passa através do leito 22 (FIG.l) para o fluidizar e, depois, por convecção, através do invólucro 10 numa direcçâo geralmente ascendente. Assim, a porção do material particulado no leito 22, que se estende imediatamente acima das porções 38c do bocal, é fluidizada, e a porção que se estende entre a última porção e a superfície superior da placa 24 mantém--se inactiva ou estagnada.

Como se mostra na FIG.l, os bocais 36 são orientados de forma a que as suas porções de descarga horizontais 38c sejam direcionadas para a parede de fundo 14. Apesar de não ser bem claro pelo desenho, sabe-se que as porções de descarga 38c podem também ser direccionadas para a conduta de drenagem 34. Como resultado desta orientação, é comunicada uma quantidade de 9

movimento ao material do leito, que provoca a circulação do material para assegurar uma distribuição, mistura e drenagem superiores do material particulado, como é discutido em detalhe na Patente Norte Americana acima mencionada. 0 queimador de ignição e o queimador no canal 26a são então acendidos para aquecer o material no leito, até que a temperatura do material atinja um valor pré-determinado, e é descarregado combustível particulado adicional do alimentador 29, enquanto o material adsorvente è descarregado sobre a superfície superior do leito 22, conforme as necessidades.

Depois do leito 22 ter sido fluidizado e ter atingido uma temperatura elevada pré-determinada, de acordo com o que se segue, o queimador de ignição 32 e o queimador no canal 26a são desligados, enquanto o alimentador 29 continua a distribuir o combustível particulado à superfície superior do leito, de acordo com velocidades de alimentação pré-determinadas. 0 fluido, tal como a água, a ser aquecido, é passado no interior das cabecas 34a e 34b, onde passa simultaneamente, ou em sequência, através dos tubos 18, formando as paredes 12, 14 e 16, para transferência do calor do leito fluidizado para o fluido, antes de ser passado para o mecanismo externo para posterior processamento.

Como resultado do anteriormente descrito, qualquer material do leito, vindo do leito 22, que tende a fluir em sentido contrário através dos bocais 36, forçará as válvulas de disco 46 no sentido descendente, para uma posição em que elas cobrem as suas respectivas aberturas 44d e, assim evitam, o posterior fluxo contrário do material particulado para a câmara 10 26. E entendido que a montagem da válvula 42 pode ser ligada aos bocais de fluidização, numa configuração diferente da acima discutida, e que o número e localizações especificas dos bocais e sua orientação especifica, podem variar à medida que os objectivos e resultados acima forem obtidos. Por exemplo, os bocais poderão ser de um dos tipos descritos na Patente co-pendente com o número de série (Atestado do Representante No. 10283.301), concedida ao signatário da presente invenção.

Podem ainda ser feitas outras variações no conceito inventivo básico, anteriormente descrito, sem se desviar do campo da invenção. Por exemplo, o permutador de calor 10 pode incorporar um leito fluidizado circulante, e o bocal 36 e a montagem da válvula 42 da presente invenção podem ser usados noutros sistemas de leito fluidizado, tais como arrefecedores de tiras, válvulas J, vasos de vedação. Também a montagem da válvula 42 da presente invenção poderá ser fabricada como parte integral do bocal 36.

Outras modificações, alterações e substituições estão incluidas na descrição anterior, e, em certas circunstâncias, certos aspectos da invenção poderão ser empregues sem a utilização correspondente de outros aspectos. Assim, é conveniente que as reivindicações anexas sejam claramente interpretadas e de uma maneira consistente com o espirito e âmbito da presente invenção.

Lisboa, 22 de Outubro de 1991 PELO A537E ΟΠΟΙΑ!. PIEDADE SSl^TfflAL U ϋΰ>1·ί:ίϋ

V 11

Claims

REIVINDICAÇÕES 1- Um" sistema de leito fluidizado, caracterizado pelo facto de compreender um envólucro; meios para introdução de material particulado dentro do referido envólucro, uma placa disposta no referido envólucro e adaptada para suportar o referido material particulado, um repletor localizado sob esta placa para receber gás, uma série de bocais suportados por esta placa para receber gás proveniente do referido espaço e direccionando o referido gás através da placa e para o interior do referido material particulado para o fluidizar, e válvulas associadas com cada um dos referidos bocais para permitir o fluxo do referido gás, através dos referidos bocais, e evitar o fluxo do referido material particulado dos referidos bocais para o referido repletor.
2. Um sistema, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de cada dipositivo de válvula compreender uma câmara que comunica com a extremidade inferior do seu bocal respectivo, uma abertura nesta câmara que faz a comunicação da referida câmara com o referido repletor, e um elemento de válvula para cobrir selectivamente esta abertura.
3. Um sistema, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido elemento de válvula ser uma válvula de disco que normalmente se move na referida câmara, sob a força do referido gás, para expôr a referida abertura e permitir o fluxo de ar através da referida abertura, e para o 1 interior da referida câmara.
4. Um sistema, conforme reivindicado na reivindicação 3, caracterizado pelo facto de a referida válvula de disco ser forçada contra a referida abertura para a cobrir sob a força do material particulado, para evitar o fluxo de material particulado através desta abertura.
5. Um bocal de fluidização para uso no sistema de leito fluidizado, caracterizado pelo facto de incluir um envólucro, meios para introdução de material particulado no referido envólucro, uma placa disposta no referido envólucro e adaptada para suportar este material particulado, e um repletor localizado por baixo da referida placa para receber o gás; o referido bocal compreende uma parte tubular suportada por esta placa para receber o gás do referido repletor e para direccionar o referido gás através da referida placa e para o interior do referido material particulado para o fluidizar, e dispositivos de válvulas associadas com esta parte tubular, de modo a permitir o fluxo do referido gás através da referida parte tubular, e evitar o fluxo do referido material particulado desta parte tubular para o referido repletor.
6. Um bocal, conforme reivindicado na reivindicação 5, caracterizado pelo facto de o referido dispositivo de válvula compreender uma câmara que comunica com a extremidade inferior da referida parte tubular, uma abertura nesta câmara que estabelece a comunicação entre a câmara e o referido espaço, e um elemento 2 de válvula para cobrir selectivamente esta abertura.
7. Um, bocal, conforme reivindicado na reivindicação 6, caracterizado pelo facto de o referido elemento de válvula ser uma válvula de disco que normalmente se move ascendentemente na referida câmara, sob a força do referido gás, para expôr a referida abertura e permitir o fluxo de ar através desta abertura e para o interior da referida câmara.
8. Um bocal, conforme reivindicado na reivindicação 7, caracterizado pelo facto de a referida válvula de disco ser forçada contra a referida abertura para cobrir a mesma sob a força do material particulado, para evitar o fluxo de material particulado através da referida abertura. Lisboa, 22 de Outubro de 1991