BR0014217B1

BR0014217B1 - processo para a produção de gás de produto com grande valor calorìfico de substáncias orgánicas ou misturas.

Info

Publication number: BR0014217B1
Application number: BRPI0014217-4A
Authority: BR
Inventors: Heinz-Juergen Muehlen; Christoph Schmid
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2011-07-12
Also published as: EP1226222B1; CN1213129C; US7077878B1; HRP20020246A2; CZ20021021A3; DE50010310D1; BR0014217A; WO2001021730A1; PT1226222E; ATE295401T1; EP1226222A1; MXPA02003116A; JP2003510403A; CA2387690C; ES2244476T3; DE19945771C1; RU2240341C2; PL194326B1; JP4264525B2; CN1376188A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE UM GÁS DE PRODUTO COM GRANDE VALOR CALORÍFICO DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS OU MISTURAS".

A presente invenção refere-se a um processo para a produção de um gás de produto com grande valor calorífico de substâncias orgânicas ou misturas de substâncias, no qual um meio portador de calor passando no circuito percorre uma zona de aquecimento, uma zona de reação, uma zona de pirólise e um estágio separador, e finalmente é devolvido para a zona de aquecimento, sendo que:

- as substâncias orgânicas ou misturas de substâncias são dissociadas na zona de pirólise, através de contato com o meio portador de calor aquecido, em um resíduo sólido com teor de carbono e gases de pirólise como uma fase volátil,

- depois de percorrer a zona de pirólise, o resíduo sólido com teor de carbono é separado do meio portador de calor no estágio separador,

- e os gases de pirólise são misturados com vapor d'água como agente reacional e, na zona de reação, são de tal forma reaquecidos através de troca de uma parte do calor contido no meio portador de calor aquecido, que se forma um gás de produto com alto valor calorífico.

A partir do documento US-PS 4.568.362 [1] passou a ser conhecido um processo para a gaseificação de substâncias orgânicas e de suas misturas, no qual as substâncias orgânicas são introduzidas em um reator de pirólise, no qual estas substâncias estabelecem contato com um meio portador de calor, com o que se produz uma biólise rápida, na qual estas substâncias são transformadas em produtos de pirólise, ou seja, gases de pirólise com substâncias condensáveis e resíduos sólido, com teor de carbono. A energia térmica necessária para a pirólise é produzida pela combustão do resíduo sólido, com teor de carbono. Os gases de pirólise com teor de alcatrão são submetidos em uma segunda zona de reação de tal forma às reações de craqueamento e reações com vapor d'água que é obtido um gás de produto com elevado valor calorífico.

Neste processo, tanto a pirólise como também a combustão doresíduo, com teor de carbono verifica-se em uma camada turbilhonante. Na parte superior do reator de camada turbilhonante de pirólise está prevista uma zona de reação para os gases de pirólise com teor de alcatrão. O meio portador de calor será descarregado juntamente com resíduo sólido, com teor de carbono, parcialmente através do cabeçote do reator de camada turbilhonante de pirólise e a parte restante é descarregada através de uma linha prevista no limite superior da camada turbilhonante, sendo conduzido para o combustor de camada turbilhonante. Ali o resíduo sólido, com teor de carbono será queimado e o meio portador de calor será aquecido. O meio portador de calor aquecido e as cinzas serão descarregadas juntamente com o gás de escape do combustor de camada turbilhonante, sendo separadas em um separador de gás-substâncias sólidas montado acima do reator de camada turbilhonante de pirólise, sendo conduzidos para a zona de reação do reator de pirólise, da qual são reciclados para a camada turbilhonante do reator de pirólise (reciclagem de meio portador de calor).

A operação destas camadas turbilhonantes todavia é bastante complexa e praticamente não é possível uma influenciação das reações dos gases de pirólise na zona de reação. Além disso, torna-se necessário empregar ainda vapor d'água superaquecido na zona de reação, o que precondiciona novamente o emprego de água preparada de forma complexa.

A partir da patente alemã DE-PS 197 55 693 [2] passou a ser conhecido um processo para a gaseificação de substâncias orgânicas e de suas misturas, no qual as substâncias orgânicas estabelecem contato em um reator de leito móvel com um meio portador de calor, com o que se verifica uma pirólise rápida, a qual as substâncias orgânicas por um lado são transformadas em um resíduo sólido, com teor de carbono, e por outro lado em um gás de pirólise condensável que se compõe de componentes voláteis e gasosos.

A seguir, o meio portador de calor e o coque de pirólise serão integrados em um processo de combustão, no qual por um lado o resíduo com teor de carbono é queimado e por outro lado o meio portador de calor será aquecido de ser reciclado na pirólise.O gás de pirólise com teor de alcatrão, após um acréscimo de um reagente - normalmente vapor d'água - será de tal modo submetido a um processo de pós-aquecimento em uma segunda zona de reação configurada como trocador de calor indireto, que é obtido um gás de produto com elevada potência calorífica, sendo que o aquecimento indireto deste trocador de calor verifica-se pelos gases de escape da combustão, mediante o seu resfriamento. Após o processo da combustão, as cinzas são separadas de uma corrente parcial da mistura, sendo afastadas do meio portador de calor e as cinzas do resíduo sólido com teor de carbono são mecanicamente se-paradas, resfriadas e eclusadas do meio portador de calor.

Todavia, este processo apresenta alguns aspectos que tornam complexa e dispendiosa uma instalação para a concretização deste processo, podendo influenciar de forma desvantajosa tanto a operação como também a disponibilidade: por um lado, em estado aquecido por meio portador de calor é reciclado da combustão para a pirólise, ou seja, a uma temperatura muito acima da temperatura de pirólise que é indicada com 550 - 650°C. Desta maneira, torna-se necessário recorrer a órgãos transportadores, especialmente complexos no tocante ao seu material e maleabilidade mecânica. Além disso, desde que o meio portador de calor aquecido ainda esteja misturado com cinzas, deve-se levar em conta o amolecimento das cinzas e portanto problemas de aglutinação. Em segundo lugar, o trocador de calor indireto usado, em virtude de suas condições de trabalho - em aspecto duplo, temperaturas de 500 - 1000°C, por um lado condições de efeito redutor, componentes fortemente corrosivos tanto no gás de pirólise como no caso de produto, igualmente também no caso de escape de combustão - com materiais muito complexos e em virtude do possível amolecimento de cinzas, requer um sistema de purificação eventualmente complexo. O perigo de a-glutinação de cinzas no trocador de calor também estipula limites estreitos para a operação e configuração da própria combustão. Uma outra dificulda-30 de reside na mistura de vapor com os gases da pirólise: ou o vapor será fortemente superaquecido com grande esforço obtém-se uma redução da temperatura que pode resultar na condensação do alcatrão e portanto em pro-blemas de aglutinação. Finalmente pode-se imaginar situações nas quais uma convecção térmica definida para o meio portador de calor que precisa ser reaquecido não pode ser assegurado no processo da combustão. Assim sendo, é de temer que o coque da pirólise e o meio portador de calor se desagregam na combustão, de modo que por exemplo no caso de uma combustão grelha, o coque da pirólise queima na parte superior da camada, enquanto que o meio portador de calor é resfriado até mesmo pelo ar da grelha que aflui pela parte inferior.

A presente invenção tem como objetivo oferecer um processo de realização simples para produzir um gás de produto de alta valência, não diluído e com elevado índice calorífico, com aparelhagem reduzida, processo este no qual o emprego de camadas turbilhonantes ou trocadores de calor com temperatura elevada bilateral é evitado e no qual a convecção térmica do processo da combustão para o meio portador de calor se produz de uma maneira especificamente definida.

Esta tarefa será solucionada por um processo do tipo descrito no início em que:

- o vapor d'água é misturado aos gases de pirólise na zona de pirólise,

- todo o resíduo sólido com teor de carbono é alimentado a uma combustão separada e lá é queimado,

- e os gases quentes dessa combustão são conduzidos por uma carga do meio portador de calor que se encontra na zona de aquecimento, sendo que uma grande parcela do calor perceptível é liberada, de maneira definida, para o meio portador de calor.

De modo semelhante como em DE-PS 197 55 693 é ampliada a idéia básica de subdividir o processo em três etapas processuais de realização simples: uma pirólise rápida, obtenção do gás de produto a partir dos gases da pirólise e mistura de vapor de processo em reações de fase gasosa homogêneas mediante alimentação de calor, geração de calor necessário para a pirólise e para as reações da fase gasosa através da combustão do coque da pirólise, de um resíduo sólido, com teor de carbono. Uma amplia-ção essencial é todavia representada pela idéia de transferir o calor do processo da combustão de uma maneira definida e forçosa para o meio portador de calor. Se o coque da pirólise e o meio portador de calor for introduzido, conforme descrito em DE-PS 197 55 693, como uma mistura no processo da combustão, então será necessário levar em conta que por exemplo em uma grelha da combustão se verifique uma desagregação do meio portador de calor e do coque da pirólise, de maneira que durante a combustão, o meio portador de calor não somente é insuficientemente aquecido, mas poderá até mesmo ser resfriado pelo ar de combustão que atravessa a grelha pela parte inferior. Apenas em um forno giratório ou em uma camada turbi-Ihonante, pode-se imaginar uma convecção térmica definida e forçosa, já que aqui as substâncias sólidas são intensivamente mescladas através do feito exacerbador de uma grelha. No caso, ocorre todavia que um forno tubular rotativo representa um sistema de combustão bastante dispendioso com deficiente mistura de ar, enquanto que em virtude das razões acima mencionadas uma camada turbilhonante não é levada em consideração.

De acordo com a invenção portanto, imediatamente após o a-bandono do reator da pirólise, a mistura do coque da pirólise e do meio portador de calor passa a ser separada e o coque da pirólise permanece na combustão, enquanto que o meio portador de calor é transportado por uma zona de aquecimento, na qual é atravessado pelo gás fumegante quente, na qualidade de uma carga a granel, sendo assim aquecida de uma maneira definida. Pelo desacoplamento assim logrado da combustão do coque da pirólise por um lado e pelo aquecimento do meio portador de calor por outro lado, conseguem-se dois efeitos: por um lado, a combustão do coque da pirólise poderá ser adequado totalmente às exigências deste combustível, o que quer dizer que basicamente pode ser novamente considerado qualquer tipo de sistema de combustão. Por outro lado, a zona de aquecimento do meio portador de calor poderá ser deslocada para um ponto aleatório de uma instalação de acordo com o processo preconizado pela invenção, de maneira que no lugar do transporte mecânico complexo do meio portador de calor, aquecido pela temperatura de processo máximo, apenas a carga rela-tivamente simples de um gás de escape quente de um sistema de combustão e o transporte do meio portador de calor com a temperatura de processo mais baixa - a temperatura de soquete após o abandono do reator da piróli-se - penetram efetivamente na zona de aquecimento.

De acordo com a invenção, a pirólise da substância orgânica será processada em um reator, o qual, com maior grau de simplicidade e aparelhagem e modo de operação robusto, permite a transição do calor necessário para o aquecimento, secagem e pirólise, de uma forma mais eficaz possível. Deste modo são considerados normalmente um reator de leito deslocável ou um tambor giratório para esta tarefa. A temperatura da pirólise estará então situada preferencialmente em uma faixa entre 500 e 650° C.

O modo da separação do coque da pirólise e do meio portador de calor depende da qualidade do meio portador de calor e poderá produzir-se de diferentes maneiras. Uma separação mecânica poderá ser por exemplo realizada com uma peneiragem dupla. É vantajoso no caso que a temperatura dos veículos a serem separados é apenas aproximadamente 500 -600°C, de maneira que se pode recorrer a materiais normalmente a serem comercializados. A separação pela peneiragem em dois estágios poderá vir a ser considerada quando o meio portador de calor consistir de partículas sólidas dentro de um espectro de granulação estreito. No caso, o agente meio portador de calor é extraído como produto intermediário, enquanto que o coque da pirólise é removido como material bruto e material fino. Enquanto as duas etapas de peneiragem estiverem bem próximas, uma quantidade bastante reduzida de coque de pirólise atingirá o meio portador de calor onde normalmente não oferece problemas. Uma outra possibilidade é a utilização de um meio portador de calor com propriedades magnéticas, como por exemplo esferas de aço. Estas podem ser separadas da mistura com o auxílio de um ímã. No caso deve-se todavia observar que a separação magnética de materiais a granel aquecidos ainda não pode ser produzida com componentes convencionais de mercado. Finalmente, é oferecido como possibilidade a peneiragem ao vento, quando o meio portador de calor apresentar suficiente densidade. Como fluído de peneiração oferece-se um ar de com-bustão, de preferência, todavia, por motivos de segurança uma corrente parcial de gás fumegante reciclado. Nesta hipótese recomenda-se montar o sistema de combustão bem próximo do estágio separador. O sistema de combustão deverá vantajosamente recorrer a fluidificação, ou seja, dispersão do 5 combustível no gás portador, como por exemplo um sistema de combustão de ciclone.

Pela separação do meio portador de calor e do coque da piróli-se, o tipo da combustão agora passa a ser de importância secundária. Apli-cam-se todavia algumas condições marginais: por um lado, em temperatura dada do material transformado, o gás fumegante deverá ser eliminado no término da combustão com uma temperatura que leva em conta as perdas de calor no percurso até a zona de aquecimento, o índice da convecção térmica para o meio portador de calor dentro da zona de aquecimento, bem como o índice do meio portador de calor específico na convecção térmica na segunda zona reacional durante o processo da transformação. Se por e-xemplo a temperatura da transformação for de 1000°C, o meio portador de calor na penetração desta zona deve apresentar uma temperatura de aproximadamente 1.050°C. Com uma configuração correspondente a zona de aquecimento, isto poderá ser logrado com gás fumegante de 1.075°C. Para cobrir as perdas do percurso desde a combustão até esta zona de aquecimento, ao abandonar o sistema de combustão o gás de escape deve ser um pouco mais quente, ou seja, deve apresentar por exemplo 1.1 OO0C. Por outro lado, freqüentemente precisam ser preservadas determinadas condições básicas com relação a parcela mineral do coque de pirólise. Assim, basicamente uma fusão ou sinteração das cinzas não precisa ser excluída, porém a cinza como produto pode tornar necessária uma extração seca das cinzas, evitando-se qualquer tipo de amolecimento, por exemplo quando se gaseifi-ca detritos de frangos e as cinzas produzidas devem ser usadas como adubo de elevada eficácia e valências. Nestas hipóteses, por exemplo, pode ser empregada uma combustão graduada com operação em regime de subes-tequiométrico, processo este no qual somente pelo acréscimo de ar secundário se consegue a queima completa e portanto a necessária temperatura.Deve-se ainda mencionar que nos casos em que o coque de pirólise formado não for suficiente para gerar o calor do processo, poderá ser integrado na combustão gás de produto.

A segunda complementação essencial é representada pela inte-5 gração atual da segunda zona reacional no circuito com o meio portador de calor segunda as conhecidas vibrações do vapor d'água, por exemplo.

CnHm + η H2O η CO + (m/2 + η) H2 Assim sendo, algumas aglutinações em conseqüência de possível formação fuligem e outros processos de craqueamento passam agora a 10 ser tolerados, já que em virtude do revolvimento do meio portador de calor, as superfícies transferidoras de calor sempre são novamente regeneradas. A conseqüência da integração da segunda zona reacional no circuito do meio portador de calor representa um considerável aumento do circuito do meio portador de calor.

De acordo com a invenção, o processo abre ao menos duaspossibilidades principais para a realização do circuito do meio portador de calor. Com relação ao meio portador de calor, a segunda zona reacional e o reator da pirólise poderão estar montados em seqüência ou em paralelo. A essencial vantagem da integração seqüencial é a simplificidade na monta- gem da aparelhagem: a zona de aquecimento, a segunda zona reacional e o reator de pirólise estão previstos um abaixo do outro, de maneira que o meio portador de calor movimenta-se impulsionado pela força de gravidade de cima para baixo através da instalação. Em comparação com a disposição descrita em DE-PS 197 55 693, a pirólise será operada no sentido de que agora ela precisa ser realizada com meio portador de calor em volume muito maior, porém com temperatura nitidamente inferior. Se1 por exemplo, o meio portador de calor penetrar com 1.050°C na segunda zona reacional para e-feito da transformação, abandonará esta zona com apenas aproximadamente 750°C. Na montagem em paralelo por sua vez não se modifica o estágio da pirólise em comparação com a descrição descrita em DE-PS 197 55 693. Em virtude da subdivisão da corrente do meio portador de calor aquecida para o reator da pirólise e da segunda zona reacional e da junção seqüenci-al, deve-se calcular todavia com maior emprego de aparelhagem. Portanto, a montagem em paralelo deverá ser preferida nos casos em que é vantajoso o contato do material empregado com meio portador de calor especialmente aquecido.

Finalmente, devemos ainda abordar a mistura de vapor de processo nos gases da pirólise antes da transformação na segunda zona rea-cional: esta precisa ser realizada em caráter excedente com relação as reações de fase gasosa, homogêneas a serem esperadas, já que apenas desta maneira poderá ser suprimida de modo conseqüente uma possível formação de fuligem.

Uma base para isto reside na observância de uma determinada concentração de vapor d'água no gás de produto fresco, ou seja, por exemplo de 20% de volume ou mais. Por outro lado deve-se esperar que uma re-gulagem quantitativa do acréscimo do vapor de processo com uma concentração de vapor d'água como grandeza de medição é muito complexo e dispendioso. Deverá apresentar melhor resultado, a regulação de um valor fixo que é realizado na dependência do potencial através de uma medição quantitativa que possivelmente existe já de qualquer modo. Uma possibilidade de configuração do processo preconizado pela presente invenção, que aqui deverá ser mencionado de qualquer maneira, reside na escolha do local da mistura do vapor de processo com o gás de pirólise. Esta mistura terá de realizar-se o mais tardar antes da penetração na segunda zona de reação, a zona de transformação propriamente dita, mas pode também ser deslocada a montante no reator da pirólise e ali aleatoriamente dentro do próprio reator da pirólise, até a sua extremidade inferior. A extremidade inferior do reator da pirólise significa neste caso a descarga da mistura do meio portador de calor a partir do resíduo sólido, com teor de carbono. Desta maneira, ocorre que se verifica uma divisão do emprego calorífico entre uma pirólise e a fase da transformação, mas em última análise, o banho da pirólise com vapor, no acréscimo do vapor próximo da saída do lado da substância sólida do reator da pirólise, é vantajosa sob vários pontos de vista. Por um lado a temperatura do gás da pirólise do percurso da segunda zona reacional não reduzidaem ponto algum, de maneira que não se precisa levar em conta a condensa-ção. Por outro lado sabe-se da referência [3] (vide final do relatório) que orendimento de componentes voláteis na pirólise de biomassas para lavagemdo vapor d'água pode ser aumentada. Isto poderá ser vantajoso já que umrendimento demasiado elevado de produto de pirólise sólido, além das ne-cessidades caloríficas do processo reduz o rendimento de gás do produto e- de forma conexa e correlata - o grau da ação de gás frio. Finalmente, eem terceiro lugar, é assim prevenido um possível vazamento de gás de piró-lise na direção de estágio de separação para o meio portador de calor e ocoque da pirólise.

A figura 1 apresenta uma possível configuração do objeto dainvenção. Trata-se no caso do circuito em série mais acima representado, noqual de cima para baixo na zona de aquecimento, a segunda zona reacional(transformador) e o reator da pirólise estão ligados em seqüência. O materialempregado 101 será conduzido através de um conjunto transportador 102 ea eclusa 103 para o interior do reator da pirólise 104. O conjunto de transpor-te 110 é configurado como um sem-fim de transporte, esteira transportadoraou semelhante unidade e pode estar aquecida, sendo que o calor de tempe-ratura baixa 151 pode ser empregado utilizando-se o gás perdido do gás deescape e o gás de produto (ver mais adiante), o que pode ocorrer vantajo-samente - ou seja, para aumentar o grau de eficácia global. Os vapores deexaustão 152 - quando se tratar de um sistema aberto - serão liberadospara o meio ambiente, ou do contrário serão acrescentados ou ao reator dapirólise 104 ou ao sistema de combustão 105. O acréscimo do reator da piró-Iise 104 tem a vantagem de que é preciso introduzir menor volume de vaporde processo. Sob o ponto de vista técnico mais simples, todavia, é a alimen-tação da combustão 105, já que esta é operada em regime de ligeira sub-pressão. De preferência um reator de pirólise 104 está configurado como umcanal cilíndrico. Além do material empregado, é também empregável o meioportador de calor, que se origina da segunda zona reacional (transformador)107, passando pela eclusa 106. Esta é de construção aleatória, porém van-tajosamente é configurada como eclusa de rodas de copos ou como eclusade avanço ritmado e não precisa ser estanque ao gás.

Inicialmente será descrito o percurso subseqüente dos materiaisvoláteis expulsos. Estes materiais abandonam o reator da pirólise 104 em108 separada até a segunda zona reacional 107. Basicamente também seriapossível o percurso através da eclusa 106 e portanto a ausência da linha108 separada, o que poderia ocorrer quando esta pudesse ser configuradade forma permeável, de tal maneira que seja permeável para gás a qualquerocasião, de forma irrestrita, enquanto que o meio portador de calor apenaspoderá atravessar o sistema de forma dosada ou no contexto do processoda eclusagem ritmada. Ocorre que, enquanto que o meio portador de calorapenas pode penetrar de forma dosada no reator da pirólise 104, com apossibilidade de interromper totalmente o afluxo, sempre toda a quantidadede gás de pirólise, com o vapor de processo 108 nele misturado, devem po-der escapar livremente. Por uma configuração correspondente do fundo dasegunda zona reacional (transformador) 107, a corrente dos materiais volá-teis da pirólise será conduzida em um percurso possivelmente longo pelacarga do material existente no transformador, sendo assim afastada do meioportador de calor 110. Este veículo movimenta-se em regime de correntecontrária para com a mistura de gás que reage sob aquecimento com o gásde produto, passando de cima para baixo, quando é resfriado. Na parte su-perior do transformador 107, para apoiar o processo da transformação, ocatalisador 111 pode estar previsto em forma de uma carga a granel ou pre-ferencialmente de pacote em forma de colméia. É importante que o catalisa-dor 111 esteja localizado na extremidade superior quente do transformador107, já que o gás de produto formado neste ponto ainda não está purificadoe por conseguinte, na dependência do material empregado 101, ainda podeconter uma série de venenos de catalisador como eventualmente enxofre emuitos catalisadores como por exemplo aqueles em base de níquel, masque em regime de temperatura elevada passam a ser menos sensíveis, po-dendo até mesmo ser regenerados. Isto poderia ser logrado de forma sim-ples no transformador 107, por exemplo, pela mistura de ar ocasional e emregime reduzido, sendo que todavia neste espaço de tempo será necessárioaceitar uma perda da qualidade no caso de produto. A corrente de gás deproduto 112 abandona o transformador 107 em direção ascendente. Nesteponto situa-se ao mesmo tempo a temperatura mais alta de todo o percursode gás de pirólise, ou seja, do gás de produto, de maneira que o calor per-ceptível da corrente de gás de produto 112 deverá ser aproveitada de qual-quer maneira. Isto pode vantajosamente ocorrer dentro da caldeira recupe-radora de calor perdido 113. Ao menos uma parte do vapor ali gerado pode-rá ser reciclado no processo em qualidade de vapor do processo 109. Apóso aproveitamento do calor perdido, o gás de produto bruto penetra no está-gio de purificação e de condicionamento 114, cujo modo de ação é adequa-do a finalidade de emprego subseqüente do gás de produto, sendo basica-mente já conhecida. No estágio de purificação 114 obtém-se simultanea-mente um condicionamento do condensado aquoso normalmente ali obtidopelo resfriamento do gás do produto. A regulação da pressão no interior doreator da pirólise 104 - preferencialmente sob pressão, bem como o trans-porte do gás de produto e de seus precursores, é um processo que é cum-prido pelo ventilador 115. Atrás do ventilador 115, a corrente de gás do pro-duto 116 purificada abandona a instalação. A corrente de condensado even-tualmente condicionada 153 poderá agora ser integrada na caldeira recupe-rador de calor perdido 113 como água de alimentação, sendo integrada noprocesso de combustão 105 em forma de vapor, de maneira que basicamen-te torna-se possível uma realização isenta de águas servidas do processoglobal. Uma possibilidade de integrar o condensado para o sistema de com-bustão reside em que o condensado seja integrado no estágio separador121 mais adiante descrito, sendo aplicado com vaporização mediante resfri-amento do meio portador de calor ou do resíduo, com teor de carbono, e osvapores de exaustão são integrados ao sistema de combustão. Caso o calorperceptível deva ser utilizado amplamente, sendo liberado eventualmentevapor para consumidores externos (onde também estão integrados o condi-cionamento externo ou eventualmente interno no transportador 102 do mate-rial empregado), então será recomendado o emprego exclusivo de águafresca 154 como água de alimentação, enquanto o condensado 153 é des-cartado em forma possivelmente completa ou "que ou é queimado".

A seguir será ampliado o percurso do meio portador de calor oudo coque de pirólese. A mistura do meio portador de calor e do coque depirólise penetra através da unidade de eclusagem e de transporte 120 noestágio separador 121. O seu modo de ação - mecânico por peneiragem ouventilação ou em forma magnética - já foi descrito acima. Em seguida, a cor-rente separada do coque de pirólise 122 - da melhor forma, sem perda detempo - atinge o sistema de combustão 105. Ali será queimado com o ar decombustão 155, sendo transformado em um gás de escape quente, o qual étransportado pela tubulação de gás quente 123 para uma zona de aqueci-mento 117 do meio portador de calor (preaquecedor). As possibilidades deseparar através do excedente de ar ou da reciclagem de gás fumegante,bem como pela combustão graduada da temperatura no material queimadoe pela temperatura do gás fumegante em sentido recíproco, de maneira quenão obstante a temperatura de gás fumegante necessária, a separação podeprocessar-se de modo seco, são considerados como sendo convencionais econhecidos, não sendo, portanto, abordados mais detalhadamente. Perma-nece ainda para ser mencionado a corrente de cinzas/escórias 156 que a-bandona o sistema de combustão para o exterior, quando é eventualmenteresfriado neste percurso.

O meio portador de calor será transportado como órgão detransporte 124 diretamente até o preaquecedor 117. O órgão transportadordeverá ser configurado para o transporte mecânico protetor de materialquente, com minimização de perdas de calor. Em primeiro plano é visualiza-do o emprego de um mecanismo de copos, de um transportador de correntetubular ou de um elevador de cuba.

Na versão precedente, de acordo com a invenção, o preaquece-dor 117 está disposto imediatamente acima do transformador 107, pelo qualé separado, do lado do gás, pela eclusa 118. Esta última deverá ser estan-que ao gás na maior extensão possível, a fim de que não se verifique umamistura de gás fumegante e de gás de produto. Com relação a forma deconstrução não existem exigências especiais para a eclusa 118. De formaanáloga ao transformador 107, o gás de escape atravessa o preaquecedorde baixo para cima em regime de corrente contrária relativamente ao meioportador de calor. Este meio penetra com temperatura de soquete do pro-cesso de aproximadamente 500°C na parte superior dentro do preaquecedor117. Esta temperatura de soquete resulta da temperatura terminal da piróli-se, descontada uma redução da temperatura resultante de perdas de calor.Se o preaquecedor 117 for suficientemente amplo (e dados análogos apli-cam-se também para transformador 107), o transporte 124, bem como osórgão de eclusagem 118 e 106 podem operar de forma descontínua em re-gime praticamente aleatório.

O gás de escape abandona o preaquecedor 117 com uma tem-peratura situada acima da temperatura de soquete. Normalmente a quanti-dade de escape é nitidamente maior do que aquela de gás de produto. Porconseguinte, o aproveitamento do calor de escape no gás de escape após oabandono do preaquecedor, é aqui absolutamente necessário. Isto ocorrepreferencialmente pelo préaquecimento do ar de combustão no preaquece-dor de ar (LUVO) 125, já que desta maneira o calor recuperado após a com-bustão estará novamente disponível, podendo ser aproveitado em sentidoexergético, acima da temperatura de soquete de aproximadamente de 500°C. Este modo de deslocamento de calor não pode ser representado no per-curso da geração de vapor ou então com dispêndio injustificadamente ele-vado. Após o LUVO 125, estão previstos estágios de purificação 126 e aventoinha de tiragem 127 a serem configurados na dependência do materialempregado e das limitações da emissão válidas e já conhecidas quanto aoseu modo de trabalho. O gás de escape purificado 157 será novamente eli-minado para o meio ambiente, sendo que uma corrente parcial 158 pode vira ser reciclada para o sistema de combustão 105 visando melhor controle detemperatura.

A figura 2 mostra de forma simplificada o núcleo técnico do pro-cesso da instalação no circuito paralelo do lado do meio portador de calor dasegunda zona reacional (transformador) e reator de pirólise. O percurso domaterial empregado 201 e do reator da pirólise 202 e pelo estágio separador203 até a combustão 204 (ar de combustão 251) permanece essencialmenteidêntico. Ocorre todavia que aqui o transformador 205 encontra-se ao ladodo reator da pirólise aproximadamente na mesma altura, e o preaquecedor206 que representa a zona de preaquecimento encontra-se acima do reatorda pirólise 202 e do transformador 205. A partir do preaquecedor 206, atra-vés dos dois funis de descarga indicados e através das eclusas de dosagem207 e 208 que podem ser operadas independentemente uma da outra, serátransportado o meio portador de calor aquecido ao nível máximo em paralelopara o transformador 205 e para o reator de pirólise 202. O meio portador decalor que abandona o transformador 205 não será conduzido através do es-tágio separador 203. O meio portador de calor que atravessou o reator dapirólise 202 e que no estágio separador 203 foi separado do coque da piróli-se, bem como o meio portador de calor que atravessou o transformador 205,serão todavia conduzidos no órgão transformador 209 conjuntamente para opreaquecedor 206. Com relação à corrente de gás de produto bruto 210 dacorrente de gás de escape 211 após o pré-aquecedor 206 tudo será de a-cordo com o circuito em série, representado na figura 1, de maneira que nes-te ponto pode ser interrompida a descrição do circuito paralelo.

A figura 3 mostra de forma acentuadamente simplificada um ca-so de emprego específico do processo preconizado pela presente invençãocom base no exemplo do circuito de série mostrado na figura 1, sendo queneste caso de emprego funciona no circuito em paralelo mostrado na figura2, de uma forma correspondente. No caso, o material empregado 300 pene-tra como habitualmente - no reator de pirólise 301, que atravessa medianteformação do coque de pirólise. Este será todavia separado do meio portadorde calor no estágio separador 302 e através do estágio de resfriamento e docondicionamento 303 é extraído em forma de coque aproveitável 304 doprocesso, sendo utilizado de forma aleatória posteriormente. O estágio 303no caso pode por exemplo ser um recipiente alternativo, mas pode tambémser uma instalação de extinção de coque operando em regime seco. O sis-tema de combustão 305 recebe agora para combustão ao menos um dosseguintes combustíveis para a finalidade do aquecimento do meio portadorde calor: um combustível 306 exógeno ou um gás de produto de correnteparcial 307 ou um coque de pirólise de corrente parcial 308. O combustível306 pode todavia também ser uma corrente parcial do material empregado300, desde que este se adapte a ser queimado. Isto é importante especial-mente para as ativação inicial de uma instalação de acordo com o processopreconizado pela presente invenção. Além disso, são considerados grandesnúmeros de combustíveis gasosos, liqüefeitos ou sólidos. Por exemplo, ogás de produto deve ser aproveitado como agente redutor em um processosiderúrgico, e só poderá ser empregado eventualmente gás de alto forno ouqualquer outro gás fraco como combustível 306. Nos casos descritos na figu-ra 3, o local da combustão 305 não precisa mais forçosamente estar na pro-ximidade direta do estágio separador 302, mas pode também ser previsto naproximidade imediata da zona de aquecimento 309. O transformador 310não será afetado neste sentido, da mesma maneira como a qualidade dosgás de produto 311 e o tratamento subseqüente do gás de escape 312. Nafigura 3 também é mostrado: o conjunto de transporte para o meio portadorde calor 313, a eclusa de alimentação para material 320, a eclusa entre otransformador e o reator e pirólise 321, a eclusa de descarga do reator depirólise 322, a eclusa entre a zona de aquecimento e o transformador 323, acorrente do ar de combustão 351, bem como a corrente de vapor do proces-so 352.

Exemplo de Execução

O dispositivo de acordo com a figura 1 serão gaseificados 200kg/h (afro) de madeira, ou seja, 286 kg/h de madeira seca ao ar com 30% deumidade. A madeira contém 2% de cinzas (desidratadas) e além disso con-siste essencialmente de 50% de carbono, 6% de hidrogênio, 42% de oxigê-nio e 1,9% de nitrogênio calculado isento de águas e de cinzas. O valor calo-rífico inferior é de 18,0 MJ/kg em estado desidratado. O rendimento térmicode gaseificação será por conseguinte de 1.000 kW. A pirólise é realizada a550° Cea transformação do vapor d'água a 950° C. A pressão de serviço éa pressão atmosférica.Como meio portador de calor são usadas esferas de aço comtamanhos de grãos de aproximadamente 10 mm. O meio portador de calor éinicialmente aquecido para 500 e 950° C. Baseado no rendimento térmiconoroecário Ho lc\A/ nora α nirAlico o α trancfnrmappn hom rnmn narpcobrir as perdas de calor, a quantidade circulante do meio portador de caloré de 4.300 kg/h, ou seja, 21,5 vezes a carga da madeira alimentada. O rea-tor de pirólise é um canal em alvenaria com uma altura cilíndrica livre de 1,2m e um diâmetro livre de 0,9 m, de maneira que um leito móvel com efeitode pirolisação dispõe de um tempo de permanência seguro de 0,5 horas. Napirólise a madeira é transformada de tal maneira que 20% em massa dasubstância seca da madeira permanece como coque de pirólise, ou seja,aproximadamente 42 kg/h. Esta quantidade tem uma parcela de cinzas de9,5% e contém em base isenta de água de cinzas, 92,2% de carbono, 2,6%de hidrogênio e 5,2% de oxigênio. O calor calorífico é de 29,1 MJ/kg. Atransformação ocorre em 950° C em uma carga de meio portador de calor de0,9 m de altura cilíndrica livre e de 0,7 m de diâmetro livre, de maneira queum tempo de permanência de gás de 0,5 seg é preservado com segurança.Com isto consegue-se o seguinte gás de produto:

Valor calorífico 9,10 MJ/kg, seco

Hidrogênio 59,7% de volume, seco

Monóxido de carbono 17,0% de volume, seco

Metano 1,4% de volume, seco

Dióxido de carbono 21,9% de volume, seco

Vapor d'água 24,8% de volume, seco

Quantidade 402 Nm3/h

Corrente de entalpia Química 765 kWA corrente de entalpia do coque de pirólise na combustão é de341 kW. Com isto o calor para transformação pirólise e vaporização de á-guas servidas é gerada do resfriamento do gás de produto da cobertura dasperdas de calor e o ar de combustão necessário no processo da combustãoé aquecido para 350°C. O grau de eficácia de combustão é de 80,1%, asperdas de gás de escape são por conseguinte 58 kW. O calor perceptivo dogás de produto é de 168 kW, com o que aproximadamente podem ser pro-duzidos 145 kg/h de um vapor saturado com reduzida pressão, do qual 50kg/h são necessários como vapor de processo na transformação, enquantoque o resto pode ser aproveitado de outra maneira.

[1] US-PS 4.568.362

[2] DE-PS 197 55693

[3] M. Stenseng. A Jensen. K. Dam-Johansen, M. Granil:

Experimental Investigation and Kinetic Modelling of Blomass Pyrolysis. Proc.2nd Olle Lindstrom Sdympostum, Stockholm 8-11 June 1999, 97-104.

RELAÇÃO NUMÉRICA DQS COMPONENTES

101 material empregado102 conjunto de transporte para material empregado103 eclusa104 reator de pirólise105 sistema de combustão106 eclusa107 segunda zona de reação (transformador)108 linha separada para produtos voláteis109 vapor de processo alimentado110 meio portador de calor111 catalisador112 corrente de gás de produto113 caldeira recuperadora de calor perdido114 estágio de purificação de condicionamento115 ventilador116 corrente purificada de gás de produto117 zona de aquecimento (preaquecedor)118 eclusa120 unidade de eclusagem e transporte121 estágio separador122 corrente de coque de pirólise123 tubulação de gás quenteRELAÇÃO NUMÉRICA DOS COMPONENTES - continuação

124 órgão transportador 125 preaquecedor de ar (LUVO) 126 estágio purificador 127 ventoinha de tiragem de ar 151 calor de baixa temperatura 152 vapores de exaustão 153 corrente de condensado 154 água fresca 155 ar de combustão 156 corrente de cinzas/escória 157 gás de escape purificado 158 corrente parcial de gás de escape purificado 201 material empregado 202 reator de pirólise 203 estágio separador 204 sistema de combustão 205 transformador 206 preaquecedor 207 eclusa dosadora 208 eclusa dosadora 209 transportador 210 corrente de gás de produto bruto 211 corrente de gás de escape 251 ar de combustão 300 material empregado 301 reator de pirólise 302 estágio separador 303 estágio de resfriamento de condicionamento 304 coque aproveitável 305 sistema de combustão 306 combustível exógenoRELAÇÃO NUMÉRICA DOS COMPONENTES - continuação

307 gás de produto

308 corrente parcial coque de pirólise

309 zona de aquecimento (preaquecedor)

310 transformador

311 gás de produto

312 gás de escape

313 conjunto de transporte para o meio portador de calor

320 eclusa de alimentação para material empregado

321 eclusa entre o transformador e o reator de pirólise

322 eclusa de extração do reator de pirólise

323 eclusa entre a zona de aquecimento e transformador

351 corrente de ar de combustão

352 corrente de vapor do processo

Claims

1. Processo para a produção de um gás de produto com grandevalor calorífico de substâncias orgânicas ou misturas de substâncias, no qualum meio portador de calor passando no circuito percorre uma zona de aque-cimento, uma zona de reação, uma zona de pirólise e um estágio separador,e finalmente é devolvido para a zona de aquecimento, sendo que:- as substâncias orgânicas ou misturas de substâncias são dis-sociadas na zona de pirólise, através de contato com o meio portador decalor aquecido, em um resíduo sólido com teor de carbono e gases de piróli-se como uma fase volátil,- depois de percorrer a zona de pirólise, o resíduo sólido comteor de carbono é separado do meio portador de calor no estágio separador,- e os gases de pirólise são misturados com vapor d'água comoagente reacional e, na zona de reação, são de tal forma reaquecidos atravésde troca de uma parte do calor contido no meio portador de calor aquecido,que se forma um gás de produto com alto valor calorífico,caracterizado pelo fato de que- o vapor d'água é misturado aos gases de pirólise na zona depirólise,- todo o resíduo sólido com teor de carbono é alimentado a umacombustão separada e lá é queimado,- e os gases quentes dessa combustão são conduzidos por umacarga do meio portador de calor que se encontra na zona de aquecimento,sendo que uma grande parcela do calor perceptível é liberada, de maneiradefinida, para o meio portador de calor.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o vapor d'água é misturado aos gases de pirólise na zona depirólise, próximo à retirada da mistura do meio calorífico e do resíduo sólidocom teor de carbono.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que uma parte dos gases da pirólise ou do gás de produto é quei-mado no sistema de combustão para o resíduo com teor de carbono ou emum sistema de combustão separado, e o calor então liberado é usado nazona de pirólise e na zona de reação.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que a reação dos gases de pirólise com o vapor d'água é realizadana presença de um catalisador.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que o meio portador de calor consiste de substâncias refratárias aofogo, como areia, cascalho, brita, silicato de alumínio, corúndio, grauvaca,quartzito ou cordierita.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que o meio portador de calor consiste de corpos perfilados de ma-teriais metálicos, de preferência magnetizados ou materiais de cerâmica nãometálicos, como também materiais sinterizados ou péletes de minério deferro.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que a totalidade do meio portador de calor empregado consiste aomenos em parte de um material cataliticamente ativo na zona de reação.

8. Processo, de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracteriza-do pelo fato de que a separação do meio portador de calor do resíduo sólido com teor de carbono verifica-se em forma magnética após o abandono dazona de pirólise.

9. Processo, de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que a separação do meio portador de calor do resíduo sólido com teor decarbono, após o abandono da zona de pirólise, verifica-se em forma pneu- mática com o auxílio de uma classificação por vento, sendo que como agen-te de classificação é preferencialmente usado ar, no presente caso tambémpreferencialmente ar de combustão ou gás de escape aqui novamente, depreferência, gás de escape reciclado do sistema de combustão.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o transporte de ao menos um dos seguintes meios verifica-se de modo descontínuo ou por lotes: substâncias orgânicas, meio portadorde calor, resíduo sólido com teor de carbono, mistura de meio portador decalor e pirólise.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o calor perceptivo do gás de produto e do gás de escape dosistema de combustão é utilizado ao menos parcialmente para gerar o vapord'água como agente reacional ou para preaquecimento de ar para o sistemade combustão.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o calor perceptivo do gás de produto e do gás de escape dosistema de combustão é ao menos parcialmente aproveitado para a pré-secagem e aquecimento da substância orgânica, em forma direta ou indireta.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o meio portador de calor depois de passar pela zona de a-quecimento, é subdividido em uma parcela que atravessa a zona de reação,e em uma parcela que é imediatamente integrada na zona de pirólise e omeio portador de calor que atravessou a zona de reação é avançado na zo-na de pirólise ou será acrescentado ao meio portador de calor restante apósa zona de pirólise.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que além do meio portador de calor, é conduzida uma substân-cia básica sólida, de preferência óxido de cálcio, hidróxido de cálcio ou car-bonato de cálcio pela zona de pirólise, que em seguida será também sepa-rado do meio portador de calor e será conduzido ou através do sistema decombustão ou imediatamente sendo conduzido para o exterior.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o gás de produto é resfriado e o condensado então formadoé purificado e reaproveitado para gerar vapor de processo ou será integradona combustão ou ao meio portador de calor ou ao resíduo com teor de car-bono, para o fim da introdução em forma de vapor e combustão das parcelascombustíveis nele contidas.