Influência das características de combustão no desempenho energético e ambiental da caldeira de recuperação

Abstract

Este trabalho resultou da colaboração entre o DEM-FCTUC e a CELBI, do grupo Altri. O conteúdo diz respeito à análise dos fluxos de massa e energia na caldeira de recuperação para o objetivo de avaliar o rendimento global e parcial de alguns equipamentos da sua instalação. A CELBI é uma unidade de produção de pasta de eucalipto branqueada, segundo o processo kraft. A caldeira de recuperação usa como combustível principal o licor negro, extraído do digestor e concentrado na evaporação a 75% de sólidos. O licor negro é composto, principalmente, por carbono, hidrogénio, nitrogénio, sódio, enxofre, oxigénio, potássio, sílica sulfato e cloro. Estes elementos encontram-se sob a forma de hidrocarbonetos, carbonato de sódio, sulfureto de sódio e sulfato de sódio. O combustível licor negro é armazenado num tanque de 1400 m3 e mantido a uma temperatura que permita o seu transporte sem solidificar. A caldeira de recuperação está projetada para queimar 2400 tds/d (toneladas de sólidos por dia), através de 10 queimadores distribuídos nas quatro paredes da fornalha. No período de análise, correspondente a um ano, a queima deste licor representa, em média, 89,8% da potência fornecida, os restantes combustíveis (gás natural, metanol, gases não condensáveis diluídos e gases não condensáveis concentrados) representam aproximadamente 1,85% da potência fornecida. Portanto, 91,65% da carga térmica fornecida resulta da contribuição dos combustíveis, os restantes 8,35% resultam do aquecimento do combustível e do ar de combustão. Para além da contribuição energética do licor negro, com a combustão dos orgânicos, a parcela inorgânica precipita no fundo da fornalha (os inorgânicos fundidos têm o nome de smelt) e sai pelas bicas, sendo destroçado com vapor, produzindo pequenas gotas que caem para um tanque de dissolução que contém licor branco fraco, formando a mistura licor verde. A caldeira está projetada para produzir 64 l/s de licor verde com teor de carbono inferior a 500 mg/l. A principal reação química controlada na combustão é a redução de sulfato a sulfureto de sódio (Na2SO4→Na2S). O grau de redução deve ser de 95%, este parâmetro indica a qualidade do licor verde produzido, para fornecer à instalação de caustificação. A caldeira de recuperação produz 418 t/h de vapor de alta pressão à temperatura de 480±10 °C, tendo capacidade para satisfazer 80% das necessidades da fábrica, sendo 10% deste para consumo da própria instalação. O rendimento global médio anual da instalação foi calculado pelo método direto e indireto e representa 83% e 82%, respetivamente. Os parâmetros que mais influenciam o rendimento global médio anual são: o regime de operação e a gestão das quantidades de licor negro e licor verde. A disponibilidade de licor negro e a capacidade de armazenar licor verde determinam o regime de operação. O fenómeno da colmatação nos permutadores de calor influencia o rendimento global de 4 a 6 %, existem manobras de operação para limpar a caldeira que se verificam eficazes, no entanto, estas não eliminam na totalidade as incrustações o que leva a afirmar que manobras de operação não substituem a necessidade de paragem para limpeza da instalação. A obtenção de resultados depende em muito do intervalo de tempo escolhido, para intervalos de tempo grandes o regime de operação é o fator que mais influencia o rendimento. A escolha de períodos de tempo de 24 horas como regime de operação revelou-se uma boa estratégia para estudar a eficiência da instalação.

The purpose of this work is to analyse how the characteristics of the fuel and the operation regime of the boiler may affect the energy and environmental performance of CELBI’s recovery boiler. The main fuel is black liquor obtained from the digestor and concentrated through 75% evaporation of solids. Black liquor is mainly composed by carbon, hydrogen, nitrogen, sodium, sulphur, oxygen, potassium, silica, sulphate and chlorine. These elements are found under the form of hydrocarbons, sodium carbonate, sodium sulfite and sodium sulfate. This fuel is stored in a 1,400m3 tank and maintained at temperature that allows transportation without solidification. The recovery boiler is designed to burn 2,400 tds/d, through 10 burners distributed in the four walls of the furnace. For one year of operation, the burning of black liquor represents an average contribution of 89,8% of the supplied power, the remaining fuels (natural gas, methanol non condensable gases diluted and concentrated) represent more than 1,85% of the supplied power. Therefore 91,65% of the thermal load is from fuel contribution, the remaining 8,35 % is from the fuel and air heating. Apart from the contribution of energy from the black liquor exist the contribution of inorganic portion, which is not precipitate in the bottom of the furnace in the form of melt which flows through the nozzles and are subdivided into small drops by the injection of steam dropping inside a tank to dissolve and form green liquor (the boiler is designed to produce 64 l / s of carbon white liquor below 500 mg/l).The main chemical reaction controlled in the combustion is the reduction degree (Na2SO4"Na2S). The reduction degree must be around 95%, being a reference parameter on the quality of the green liquor to the caustification. The recovery boiler produces 418 t/h of high pressure steam at the temperature of 480+10 ºC, which represents 80% of the needs of the factory, being 10% of this for the consumption of the facility itself. The annual average efficiency of the plant calculated through the direct and indirect method and represents 83% and 82% respectively. The main parameters that affect the efficiency are the operation regime and the amount of black liquor to the furnace. The amount of black liquor and the capacity to store green liquor determine the operation regime. The incrustation phenomenon of heat exchangers affect the global efficiency in 4 to 6 %. Cleaning manoeuvres are conducted regularly to clean the boiler, however they do not able eliminate the incrustations totally being necessary to stop boiler some time. The results of the efficiency of boiler are dependent of the range of time. The operation regime is the main factor that influences the efficiency. Results shown that the range of time of 24 hours was a good strategy to study the efficiency of the boiler