BRPI0900363A2 - processo de queima de resìduos industriais vegetais, equipamento de queima de resìduos industriais vegetais, caldeira geradora de vapor - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE QUEIMA DE RESìDUOS INDUSTRIAIS VEGETAIS, EQUIPAMENTO DE QUEIMA DE RESìDUOS INDUSTRIAIS VEGETAIS, CALDEIRA GERADORA DE VAPOR. A presente invenção trata de um processo de queima de resíduos industriais vegetais, de um equipamento de queima de tais, e de uma caldeira (1) geradora de vapor que aproveita a capacidade calorífica do resíduo para geração de energia sem poluir a atmosfera. O presente processo é realizado com controle de viscosidade dos residuos, o que possibilita sua queima completa, e o vapor gerado é aproveitado para geração de energia (4) através de um gerador (3).

Description

PROCESSO DE QUEIMA DE RESÍDUOS INDUSTRIAISVEGETAIS, EQUIPAMENTO DE QUEIMA DE RESÍDUOS INDUSTRIAISVEGETAIS, CALDEIRA GERADORA DE VAPOR

A presente invenção relaciona-se à utilização de resíduosindustriais vegetais como combustível, sendo que esses resíduos até o presentenunca foram considerados para essa finalidade. Em um primeiro aspecto, ainvenção visa um processo de queima de resíduo industrial vegetal, paraaproveitamento de sua capacidade calorífica. Em outro aspecto a invenção tratade um equipamento adequado à queima de resíduo industrial vegetal comocombustível, tipicamente utilizado em uma caldeira geradora de vapor.

Histórico da invenção

O texto que segue faz referência a melaço e vinhaça de soja, sem,no entanto excluir qualquer outro resíduo de características semelhantes, quecontenham qualquer tipo de açúcares (ex. cana de açúcar), ou substancias (ex.amido) que possam ser hidrolisadas em açúcares, como por exemplo, milho,beterraba, batata, mamona, canola, gergelim, amendoim, dendê, algodão, cascade laranja, girassol, etc., conhecidos do homem da técnica e para os quaiseventuais adaptações para a realização da invenção são efetuadas semnecessidade de testes exploratórios.

Conforme significado aqui empregado, "melaço" é um resíduo deaçúcar separado, por exemplo, por destilação, do solvente liquido utilizado paralavar o farelo resultante do esmagamento de um vegetal (grão, semente,cascas, etc.).

Como é bem sabido, para obtenção de óleo de soja, faz-se aprensagem ou extração de grãos de soja, separando-se o óleo da torta desólidos. A torta, por sua vez, é submetida a um tratamento térmico, seca,resfriada e armazenada para posterior comercialização. Este processo produzum Farelo de soja que dependendo da separação de casca pode variar de 44 a50% de proteína (umidade 12,5%).

O processo para obtenção de concentrado protéico consiste emuma etapa a mais de extração. O farelo citado acima e submetido a umaextração com uma mistura de água e álcool, obtendo-se o concentrado protéico(proteína 65 a 74% base seca) e a micela. O concentrado passa por umaprensagem, por um tratamento térmico, seco, resfriado e armazenado. Ele éutilizado principalmente para fabricação de ração animal. A micela, que é umamistura de açúcares, água e álcool, segue para destilação, separando-seprimeiro o álcool do líquido restante o qual retorna para o processo. Em seguidapassa por uma concentração para remover a maior parte da água obtendo-se omelaço entre (30% - 80% de sólidos)

O melaço da soja contém alto teor de açúcares transformáveis emálcool e pode para tanto ser submetido à fermentação. O resíduo dessafermentação é o que se denomina de vinhaça. Esta vinhaça contémprincipalmente resíduos de açúcares, farelinhos que são muito pequenos paraserem captados por filtro, residual de lipídeos e cinzas. O melaço da cana deaçúcar também contém açúcares facilmente transformáveis em álcool porfermentação tradicional. Tanto a vinhaça gerada no processo de obtenção deálcool da cana como também o melaço de cana podem ser concentrados paraserem usados como combustíveis vegetais tais como o melaço e a vinhaça dasoja.

É conhecida a aplicação do melaço de soja como aditivo em raçãoanimal. Entretanto, a maior parte desse melaço é um resíduo que até agora temsido considerado um subproduto indesejável pela dificuldade de comercializá-loe pela falta de espaço para armazenamento.

Uma opção para o descarte do melaço seria sua queima. Noentanto, não é possível sua queima nos dispositivos convencionais sem quesejam feitas várias adequações que foram sendo descobertas conforme seseguia a queima do melaço por um período maior, sendo possível identificar osproblemas. Uma série de problemas apareceram, os quais impediam a queimapor mais que 2 horas deste resíduo: não se conseguia aquecer o melaço paraser atomizado no queimador, não se conseguindo um controle de temperatura,concentração e viscosidade, sendo estes parâmetros de extrema importânciapara a atomização e conseqüente controle da combustão. Estas dificuldadesimpediam que fosse enviado o melaço para dentro do queimador, impedindo arealização de testes para determinação de qual concentração, temperatura eviscosidade seriam as melhores para se obter uma combustão completa.

No processo de queima do óleo BPF não é necessário controlarviscosidade e concentração, pois estes parâmetros são garantidos pelofornecedor do combustível. Não existe a dificuldade no aquecimento, pois ostrocadores de calor convencionais conseguem aquecer o óleo sem problemasde incrustação e cristalização dos açúcares.

Para alguns resíduos, tal como o melaço, isso não ocorre, poisquando o açúcar passa de aproximadamente 60 graus, queima, cristalizando econseqüentemente virando carvão, este carvão incrusta na tubulação interna dotrocador, perdendo-se o combustível e impedindo a queima. Com temperaturasabaixo de 60 a combustão é incompleta, pois não possibilita aquecer o melaçoda forma necessária, nem manter viscosidade em um valor entre 50 a 70centistokes. Este valor foi encontrado após se fazer uma bateria de testes emedições de O2 , CO2 e CO.

A solução encontrada foi injetar vapor direto no melaço, com altavelocidade através de injetores, obtendo-se seu aquecimento até cerca de 100graus sem apresentar qualquer tipo de problema que, seguido de umviscosímetro mede a viscosidade em tempo real mandando um sinal para abrirou fechar uma válvula de controle de vapor no injetor, conforme o set pointadotado. Este melaço segue para um tanquinho pulmão e é enviado direto parao queimador. Estes controles possibilitaram o desenvolvimento do presenteprocesso de queima, com uma melhor temperatura, viscosidade e concentraçãodo melaço.

Outro problema encontrado, devido a queima do melaço, é ageração de uma cinza branca altamente solúvel e higroscópica. Esta cinzaimpregnava em todas as áreas de troca térmica da caldeira bem como emdutos, exaustores (fornalha, evaporador, super aquecedor). Esta cinza vai seacumulando nas áreas de troca e no passar de duas horas a temperatura dosgases na saída na fornalha, que nunca deveria passar de 420° C1 chegava avalores de 550° C. O acumulo também acontece nas áreas que não são mais detroca térmica como: dutos de saída da caldeira, pré-ar, economizadores,multiciclone, exaustores. Este acúmulo com o passar do tempo vai aumentandoe a perda de carga em todos estes equipamentos, consumindo todo o exaustore impossibilitando a queima por mais de uma semana.

A solução encontrada para a impregnação nas áreas de trocatérmica (fornalha, evaporador, super aquecedor) foi a instalação de sopradoresde fuligem. Em cada área foi se determinado um modelo que teria um melhorrendimento. Foram testadas duas pressões de sopragem: 12 e 21 Kgf/cm2Verificou-se que com 12 Kgf/cm2 a temperatura dos gases na saída da fornalhacaia para 440° C e com 21 Kgf/cm2 para valores de 390° C.

Nas áreas que não são mais de troca térmica como: dutos desaída da caldeira, pré-ar, economizadores, multiciclone, foram feitas coifas comroscas e válvulas rotativas removendo estas cinzas diretamente para umacaçamba.

Após os ajustes desses parâmetros obteve-se um bom resultado.

Outra característica do melaço é que sua queima ocorre comemissão de muitos poluentes, causando danos ao meio ambiente. Além disso,só é possível sua queima em altos fornos, a uma temperatura de cerca de 1300graus centígrados, que é um procedimento dispendioso, sem qualquervantagem no ciclo de aproveitamento do vegetal de origem.

Notou-se então que o processo de queima causava um outroproblema, que era a emissão de fumaça com material particulado acima de 5000mg/m3 de gás, com arraste de um pó fino branco (cinzas) diretamente para aatmosfera, fora dos limites permitidos por lei.

De forma diferente de outros combustíveis de biomassa, cuja maiorparte das cinzas é insolúvel, as cinzas do melaço são solúveis, daí a soluçãopara evitar sua emissão na atmosfera ter de ser diferente.

Uma primeira tentativa de redução dessa emissão de particuladosfoi a utilização de um multiciclone e um lavador de gases com bicos spray deágua. No entanto, ao se realizar nova queima do melaço, notou-se que omulticiclone mais o lavador de gases conseguiram reduzir o particulado dosgases de 5000 mg/Nm3 para 2500 mg/Nm3, mas não atingiu os 400 mg/Nm3exigidos pelo IAP. Notou-se também que com o passar do tempo a cinza brancaentupia o multiciclone, sendo que a única maneira de continuar era parandopara lavar de 3 em 3 dias, ou seja, não deixando o processo continuo, einviabilizando o projeto.

Em continuidade do processo de queima verificou-se que issoocorria porque o equipamento lavador de gases, muito comum na indústria deálcool e açúcar, somente remove particulado insolúvel em água contido nosgases, de forma que os particulados solúveis passavam pelo lavador sem seremremovidos.

Optou-se em arrancar o multiciclone e trocar o tipo de lavador.

Utilizou-se então um lavador tipo venturi para fazer uma mistura muito eficientedos gases com líquido promovendo tanto a captação de sólidos solúveis comode sólidos insolúveis, seguido de um separador ciclônico, um separador degota e um separador de nevoa, instalados no topo do separador ciclônico. Umalança de saturação foi instalada antes do venturi com o propósito de promover asaturação dos gases da caldeira antes da entrada no venturi, os sólidos solúveise insolúveis seriam captados neste ultimo, e o gás sairia do lavador saturado ecom água contendo sólidos solúveis e insolúveis. A água excedente seriaseparada pelo separador ciclônico, as gotas maiores que 25 micras seriamremovidas pelo primeiro separador de gotas, e as gotas (nevoa) maiores que 3micras seguiam para serem separadas pelo separador de nevoa (Demister),arrastando consigo o particulado solúvel, e lançando na atmosfera os gases daqueima do melaço com concentração abaixo da exigida pelo IAP.

Descrição da invenção

Na busca de alternativas para utilização do melaço e/ou vinhaça,particularmente para a soja, foi surpreendentemente verificado que esse resíduopode ser queimado como combustível. De forma particular, o melaço e/ou avinhaça de soja podem ser utilizados como combustível em caldeiras degeração de vapor, em substituição a combustíveis fósseis como óleo BPF ouqualquer outro normalmente utilizado para esse fim, com as vantagens de seevitar o acúmulo de um subproduto até o momento considerado resíduopoluente de pouca utilidade, utilizando de forma vantajosa o poder calorífico domesmo, gerando economia na substituição de combustíveis mais nobres ecaros.

Em um primeiro aspecto a presente invenção trata de um processode queima de melaço e/ou vinhaça, caracterizado pelas seguintes etapas:

concentrar um melaço, vinhaça ou mistura destes, até obter teor desólidos entre 30 e 85%;

pré-aquecer entre 60 e 100°C, até que se atinja uma viscosidadeadequada à sua queima completa no queimador;

queimar em um queimador de chama, por nebulização.

De forma particular, mas sem excluir qualquer outra condição,aplicam-se vantajosamente os seguintes aspectos:

o melaço, vinhaça ou suas misturas, são de soja ou de cana de açúcar;

o teor de sólidos do melaço, vinhaça ou suas misturas situa-se entre 60 e 80%;

o pré-aquecimento é efetuado por injeção direta de vapor;

o pré-aquecimento é feito até cerca de 100 °C; e,a viscosidade do melaço e/ou vinhaça aquecido situa-se entre 30 e 80cst(centistokes).

O queimador é do mesmo tipo normalmente utilizado para óleoBPF e gás, por exemplo Queimador Saacke SSB-S200 serie E-609 E-610.

Verificou-se que a obtenção de combustão completa do melaçoe/ou vinhaça é favorecida nas faixas de viscosidade citadas, com variaçõesesperadas em função da origem vegetal desse novo combustível. Verificou-seainda que o poder calorífico obtido seja superior ao da queima de combustívelsólido como cavaco.

Dentro de outro aspecto da invenção, também está contempladoum equipamento de queima de melaço, caracterizado por compreender:

- um vaso de contenção de melaço e/ou vinhaça;

- uma bomba para bombear o melaço e/ou vinhaça para um dispositivo deinjeção direta de vapor;

- um dispositivo de injeção direta de vapor dentro do melaço e/ou vinhaça;

- um dispositivo de verificação e controle de viscosidade, associado aodispositivo de injeção direta de vapor;

- uma bomba para bombear o melaço e/ou vinhaça para um queimador; e,

- um queimador de combustível líquido nebulizado.

O equipamento da invenção tem o seguinte funcionamento: omelaço e/ou vinhaça, com teor de sólidos entre 30 e 85%, é colocado em umvaso que permite seu aquecimento direto por vapor - o dispositivo injetor devapor pode ser autônomo ou pode ser um dispositivo incorporado ao vaso. Aviscosidade do melaço e/ou vinhaça é mais alta do que a adequada à queimacompleta, assim injeta-se vapor até que a viscosidade baixe para a faixaadequada, tipicamente entre 40 e 80cst, após o que se bombeia o líquido para oqueimador. O equipamento da invenção compreende um dispositivo deverificação e controle de viscosidade, por exemplo, um viscosímetro e um jogode tubulações e válvulas que podem retornar o líquido bombeado ao vaso casoa viscosidade esteja mais alta ou mais baixa, assim como um acionadorespecífico com capacidade de agir sobre o injetor direto de vapor na massa demelaço e/ou vinhaça, aumentando ou diminuindo a quantidade de vapor paraaumentar ou diminuir a viscosidade, conforme necessário. Dispositivos deverificação e controle de viscosidade para esta finalidade são conhecidos dohomem da técnica, de forma que seu detalhamento específico não é um aspectoessencial da invenção.

O dispositivo queimador de combustível líquido do equipamento dainvenção é conhecido no estado da técnica, associado a um compressor de arpara permitir a nebulização do combustível. De forma vantajosa, tal dispositivotambém pode queimar concomitantemente combustível gasoso, como GLP,quando se desejar suplementar a queima do melaço e/ou vinhaça.

O equipamento da invenção é tipicamente associado a umacaldeira geradora de vapor. Nessa configuração, tal caldeira pode sermulticombustível, pode conter vários queimadores do melaço e/ou vinhaça,sopradores de fuligem, etc. Tal caldeira pode ser dotada de uma variedadé dedispositivos adicionais, tal como um sistema de controle de emissão departículas sólidas, conforme a exigência legal da região onde o processo estejasendo levado a efeito.

De maneira vantajosa, o vapor gerado na caldeira é enviado a umaturbina geradora de energia, que pode ser aproveitada no processo produtivoque gerou o resíduo vegetal, tornando o sistema fabril auto-suficiente.

Preferencialmente, o equipamento compreende ainda sopradoresde fuligem que permitem a limpeza do interior da caldeira, por exemplo, uma vezpor hora, dispensando paradas para sua limpeza, melhorando a combustão.

De forma adequada, sem excluir qualquer outra, tal sistema decontrole de emissão de partículas sólidas compreende minimamente um venturidentro do qual os gases da queima e água são submetidos a contato intenso; e,um separador ciclônico, um separador de gotas e um separador de nevoa paraonde a névoa é enviada após a passagem pelo venturi.

Alternativamente à utilização de um venturi, tem-se um lavadorcom colunas de absorção ou bombeamento de água.

Será dado a seguir um exemplo de concretização da invenção, decunho meramente ilustrativo, sem impor qualquer limitação ao seu escopo alémdaquele expresso nas reivindicações anexas. A imagem é esquemática, semdimensões ou proporções que correspondam à realidade, uma vez que suafinalidade é apenas esclarecer didaticamente uma concretização da invenção.

Exemplo

A figura 1 anexa ilustra de forma esquemática uma instalação emque se ocorre a queima de melaço de soja, sua transformação em vapor emuma caldeira (1), extração em turbina (2) de vapor de 12Kgf/cm2 e vapor deescape 1,5 Kgf/cm2; e, posterior geração de eletricidade (4) através de umgerador (3). A micela vinda da extração dos açúcares (não ilustrada) entra numaparelho de 4 estágios chamado de concentrador de melaço (8) que envia omelaço a um tanque pulmão (10). Com o auxílio de vapor a micela éconcentrada até 80 brix antes de ser enviada ao tanque (10). A quantidade devapor injetado no concentrador (8) é controlada por um medidor de brix (9), àsaída do concentrador (8), que abre ou fecha uma válvula de vapor (7) conformea concentração desejada. Este melaço concentrado em 80 brix é então enviadopara um tanque pulmão (10). O melaço é concentrado para remoção daágua,pois o que interessa para a queima é a matéria seca (Carbono,Hidrogênio,Enxofre e Nitrogênio). Através de bombas (11) e (12) o melaço é enviado paraos tanquinhos (19) e (20) e para os injetores (13) e (14) aonde é aquecido pormeio da injeção de vapor direto. A quantidade de vapor injetada é controladapelas válvulas de controle (15) e (16) que recebe sinal dos medidores deviscosidade (17) e (18), respectivamente. Se a viscosidade está alta, osmedidores (17) e (18) mandam abrir as referidas válvulas, e se está baixamanda fechar,dependendo do set point escolhido. As bombas (21) e (22)bombeiam o melaço para os queimadores (Q2) e (Q1) com concentração,pressão, temperatura e viscosidade ajustadas.

Neste exemplo particular, o vapor gerado pela caldeira (1) temuma pressão de 42 kgf/cm2 e sai por uma tubulação em direção a uma turbina(2), onde são extraídos os vapores de extração 12 kgf/cm2 e de escape 1.5kgf/cm2. Este rebaixamento da pressão do vapor é que possibilita a geração deenergia elétrica (3). Têm-se assim duas linhas com vapor de extração de 12kgf/cm2 (5) e de escape de 1,5 kgf/cm2 (6) direcionadas para a fabrica que gerao melaço.

A caldeira (1) também pode gerar vapor com outros combustíveis,pois é dotada de uma grelha (23) para o suporte de combustível sólido, comocavaco ou casca de soja.

Os queimadores (Q1) e (Q2) também são dotados de lanças quepodem queimar gás.

A caldeira (1) é também dotada de um soprador de fuligem (nãoilustrado), que é um injetor rotativo de vapor, voltado à remoção de eventuaisincrustações no interior da caldeira.

Os gases resultantes da queima do melaço da caldeira (1) eseguem para um sistema de controle de material particulado.

Referido sistema de controle de material particulado é compostopor uma lança de saturação (24), um lavador venturi (25), um separadorciclônico (26), um separador de gotas (27) e um separador de nevoa (28).

Ao sair da caldeira (1), os vapores da queima, através da lança desaturação (24), recebem uma quantidade de água que permite sua saturação.Após a saturação entram no lavador venturi (25), onde ocorre a lavagemcaptação de todo o material particulado, injetando-se água no lavador venturi(25). Os gases entram na parte inferior de um separador ciclônico (26), onde aforça centrifuga separa a quantidade de água grossa injetada nestes Gases.

Esta água sai com os sólidos insolúveis e uma parte dos sólidos solúveis. Osgases ainda continuam com gotas que solubilizaram o sólidos solúveis e que nasaída da chaminé (30), se for feita a medição, aparece como materialparticulado. Ainda dentro do corpo do separador ciclônico (26), os gasespassam por um separador de gotas (27) que capta gotas maiores que 25microns, seguindo para um outro separador de nevoa (28) que captam gotasmaiores que 3 micras. Assim, os gases que saem no separador ciclônico (26),estão dentro dos limites aceitados pelo órgão ambiental.O homem da técnica, com o auxílio dos ensinamentos aquitrazidos, assim como do exemplo e da figura anexa, entenderá a invenção epoderá realizá-la de forma equivalente, não expressamente descrita, mas dentrodas funções e do resultado conforme aqui aprendido, e que estão protegidosnas reivindicações anexas.

Claims (14)

1. PROCESSO DE QUEIMA DE RESÍDUOS INDUSTRIAISVEGETAIS caracterizado pelo fato de compreender a etapas de:a. concentrar um melaço, vinhaça ou mistura destes, até obterteor de sólidos entre 30 e 85%;b. pré-aquecer entre 60 e 100°C, até que se atinja umaviscosidade adequada à queima completa no queimador; e,c. queimar em um queimador de chama, por nebulização.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o melaço, vinhaça ou suas misturas, são de soja,de cana de açúcar, ou outros resíduos que contenham açúcar ou substanciasque possam ser transformadas em açúcar através de hidrolises químicas ouenzimáticas.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o teor de sólidos do melaço, vinhaça ou suasmisturas situa-se entre 30 e 80%.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o pré-aquecimento é efetuado por injeção diretade vapor na massa de melaço e/ou vinhaça através de injetor.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o pré-aquecimento é feito até cerca de 100 °C.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a viscosidade do melaço e/ou vinhaça aquecidossitua-se entre 30 e 80 centistokes.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o queimador é do tipo Saacke SSB-S200 serie E- 609 E-610.

8. EQUIPAMENTO DE QUEIMA DE RESÍDUOSINDUSTRIAIS VEGETAIS caracterizado por compreender:a. um tanque pulmão de melaço e/ou vinhaça (10), e doistanques de melaço na viscosidade adequada para queima (19) e (20);b. dois queimadores (Q1) e (Q2) de combustível líquidonebulizado;c. dois medidores de viscosidade ou temperatura (17) e (18)para medição de viscosidade ou temperatura do melaço e/ou vinhaça levado àqueima;d. dois dispositivos de injeção direta de vapor (13) e (14)dentro do melaço e/ou vinhaça;e. Duas bombas (11) e (12) para bombear o melaço e/ouvinhaça para os injetores (13) e (14) e viscosímetros (17) e (18);f. duas válvulas de controle para controlar a quantidade devapor injetada no melaço ou vinhaça (15) e (16)g. Duas bombas (21) e (22) para bombear o melaço e/ouvinhaça para os queimadores (Q2) e (Q1), respectivamente.

9. EQUIPAMENTO de acordo com a reivindicação 8caracterizado pelo fato dos queimadores de combustível líquido (Q1) e (Q2),poderem queimar, concomitantemente, combustível gasoso.

10. CALDEIRA GERADORA DE VAPOR, caracterizada porcompreender ao menos um equipamento de queima de melaço e/ou vinhaçaconforme uma das reivindicações 8 ou 9.

11. CALDEIRA, de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de ser multicombustível, sendo o combustível sólidocavaco ou casca de soja.

12. CALDEIRA, de acordo com a reivindicação 10,caracterizada por ser dotada de sopradores de fuligem.

13. CALDEIRA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizadapor ser dotada de um sistema de controle de emissão de partículas sólidas quecompreende um sistema que remova material solúvel e insolúvel, constituído deum lavador venturi (25), um separador ciclônico (26) e separadores de nevoa(28).

14. CALDEIRA, de acordo com a reivindicação 10, caracterizadapor ser dotada de um sistema de controle de emissão de partículas sólidas quecompreende um lavador como colunas de absorção ou borbulhamento umseparador ciclônico (26) e separadores de nevoa (28).