BR102013005295A2 - Pyrolysis process of an organic matrix material - Google Patents

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Abstract

Processo de pirólise de um material de matriz orgânica a presente invenção se refere a um processo para a pirólise de um material de carbono, ou ao menos parcialmente de carbono, tal como aquele derivado da biomassa ou dos refugos orgânicos e de misturas de origens diversas. Em particular, a presente invenção se refere à figura 1.Pyrolysis Process of an Organic Matrix Material The present invention relates to a process for pyrolysis of a carbon, or at least partially carbon, material such as that derived from biomass or organic waste and mixtures of various origins. In particular, the present invention relates to Figure 1.

Description

Processo de pirólise de um material de matriz orgânica.Pyrolysis process of an organic matrix material.

Descrição A presente invenção se refere a um processo para a pirólise de materiais a base de carbono, ou ao menos parcialmente a base de carbono, tais como aqueles derivados de biomassa ou de refugos orgânicos e mesclas de origens diversas. A pirólise é um processo de conversão termoquímica de materiais com matriz orgânica em produtos finais combustíveis, o qual é realizado na ausência de oxigênio, ou com uma presença muito limitada deste, de modo a se poder evitar as reações de oxidação, responsáveis pela formação de compostos quais dioxinas e furanos. Corri relação aos fornos de combustão normalmente utilizados para a incineração dos refugos, os reatores de pirólise resultam ser muito mais seguros e não necessitam de sistemas sofisticados de controle de compostos tóxicos da oxidação os quais, em caso de avaria, poderiam ser despejados na atmosfera dioxinas e furanos com grande risco a saúde a ao meio ambiente.Description The present invention relates to a process for the pyrolysis of carbon-based, or at least partially carbon-based materials, such as those derived from biomass or organic waste and mixtures of various origins. Pyrolysis is a process of thermochemical conversion of organic matrix materials into combustible end products, which is performed in the absence of oxygen, or with a very limited presence thereof, in order to avoid oxidation reactions responsible for the formation of compounds such as dioxins and furans. Compared to combustion furnaces commonly used for waste incineration, pyrolysis reactors are much safer and do not require sophisticated oxidation control systems which, in the event of damage, could be dumped into the atmosphere. and furans with great health and environmental risk.

Os produtos da pirólise são gasoso, líquidos ou sólidos, em proporções que dependem dos métodos de pirólise, dos parâmetros de reação e dos materiais com os quais são alimentados os reatores de pirólise. Com relação a um processo de combustão direta, a tecnologia de pirólise permite transferir aos produtos, sejam estes gasosos, líquidos ou sólidos, o conteúdo energético do material de partida em um processo de baixo impacto ambiental. Nos estudos experimentais referidos tanto na literatura quanto na prática industrial observa-se como o processo de pirólise tem sido tradicionalmente empregado para maximizar a produção de carvão (carbono) ou ainda mais a do óleo de pirólise. A pouca atenção dada, até o momento, a produção do combustível gasoso deve ser imputada ao baixo rendimento de gás, característica da tecnologia convencional de pirólise, a qual apresenta um valor normalmente inferior a 40% em peso do material de partida.Pyrolysis products are gaseous, liquid or solid, in proportions that depend on the pyrolysis methods, the reaction parameters and the materials with which the pyrolysis reactors are fed. With respect to a direct combustion process, pyrolysis technology allows to transfer to the products, whether gaseous, liquid or solid, the energy content of the starting material in a low environmental impact process. In the experimental studies referred to in both literature and industrial practice, it is observed how the pyrolysis process has traditionally been employed to maximize the production of coal (carbon) or even more that of pyrolysis oil. The low attention paid so far to the production of gaseous fuel should be attributed to the low gas yield characteristic of conventional pyrolysis technology, which is typically less than 40% by weight of the starting material.

Existe uma enorme variação nos processo e nos produtos que podem ser obtidos, determinada pela ampla possibilidade de atuar sobre os parâmetros de governam as reações do processo (temperatura, tempo de permanência, velocidade do aquecimento, pressão, granulometria do material de alimentação). Isto leva ao fato de que tem sido feitas diversas classificações das tecnologias de pirólise existentes, as mais comuns dentre estas estando baseadas na temperatura do processo e na velocidade de reação.There is a huge variation in the processes and products that can be obtained, determined by the wide possibility of acting on the parameters governing the process reactions (temperature, dwell time, heating speed, pressure, feed material particle size). This leads to the fact that several classifications of existing pyrolysis technologies have been made, the most common of which being based on process temperature and reaction speed.

Em função da temperatura na qual são conduzidos, os processos de pirólise se distinguem em pirólise a baixa (400 - 600 °C), média (600 -1000 °C) e alta temperatura (1000 - 2000 °C). Os processos de pirólise a baixa e média temperatura (450 - 1000 °C) se distinguem, por sua vez, pela tipologia do reator nos quais estas são conduzidas: 1. o forno vertical, no qual o material orgânico é alimentado pelo alto, secado e pirolisado sendo processado de cima para baixo em contracorrente com relação aos gases quentes. Os resíduos são recuperados na secção baixo do reator, enquanto que os gases são evacuados pela parte superior. 2. o forno rotativo, similar ao forno vertical, que é caracterizado por um transporte de calor mais eficiente e por uma mistura melhor do material orgânico alimentado em vista da sua rotação. Em contrapartida, a pirólise conduzida em um reator rotativo é um processo mais delicado, devido aos riscos ligados a possibilidade de entrada de ar nas proximidades das juntas de rotação. 3. o forno de leito fluido, cilíndrico vertical, no qual o material orgânico a ser tratado, o qual necessita de pré-tratamentos de trituração e de peneiramento, é mantido em suspensão por um fluxo gasoso ascendente. No interior do reator é colocado um inerte, em geral areia de sílica, com o escopo de favorecer as trocas térmicas e de fornecer ao sistema uma inércia térmica suficiente. Tais fornos são muito complexos e de condução difícil.Depending on the temperature at which they are conducted, pyrolysis processes are distinguished by low (400 - 600 ° C), medium (600 - 1000 ° C) and high temperature (1000 - 2000 ° C) pyrolysis. The pyrolysis processes at low and medium temperature (450 - 1000 ° C) are distinguished in turn by the reactor typology in which they are conducted: 1. the vertical furnace, in which the organic material is fed from above, dried and pyrolysate being processed from top to bottom countercurrent to hot gases. Residues are recovered in the low section of the reactor, while gases are evacuated from the top. 2. The rotary kiln, similar to the vertical kiln, which is characterized by more efficient heat transport and better mixing of the fed organic material in view of its rotation. In contrast, pyrolysis conducted in a rotary reactor is a more delicate process due to the risks associated with the possibility of air entering the rotating joints. 3. the vertical cylindrical fluid bed furnace in which the organic material to be treated, which requires grinding and screening pretreatments, is held in suspension by an upward gas flow. An inert, usually silica sand, is placed inside the reactor to promote thermal exchange and to provide the system with sufficient thermal inertia. Such ovens are very complex and difficult to drive.

Os produtos que são gerados pelos processos conduzidos nos fornos precedentemente descritos são, em geral; • pós, compostos prevalentemente por pós de carbono. São ais facilmente tratáveis em comparação com os produzidos durante a incineração, visto que compreendem partículas de dimensão maior, devida a temperatura de exercício mais baixa. Além disto, estes são mais concentrados dado o maior volume da fase gasosa produzida. • Gás, constituído essencialmente de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO) e de gases inertes devido as infiltrações. É um gás com um poder calorífico compreendido entre 12.500 e 20.900 kJ/Nm3. Não contém óxidos de nitrogênio devida a temperatura moderada e pela atmosfera fortemente redutora na qual é conduzido o processo. • Óleo de pirólise, constituído principalmente de compostos orgânicos parcialmente oxidados (ácidos, álcoois, ésteres). É um combustível que deve ser submetido a um processo de depuração devido aos produtos corrosivos do cloro e do enxofre neste contidos. Pode ser utilizado para o aporte endotérmico necessário à realização das reações de pirólise ou então ser comercializado separadamente. • Resíduos sólidos ou coque de pirólise, o qual contém um substrato mineral proveniente da fração inorgânica do refugo e um substrato orgânico de carbono. Tal resíduo pode ser utilizado como combustível sólido a jusante de tratamentos de depuração, ou transformado em carvão ativo. A pirólise a alta temperatura (cerca de 2000 X) é realizada com velocidade de reação elevada (pirólise “flash”) e é caracterizada por um rendimento elevado de demolição térmica dos refugos em atmosfera redutora e pela minimização na arbórea ou agrícola, em gás de síntese com um rendimento muito elevado.Products which are generated by processes conducted in the ovens described above are generally; • powders, composed predominantly of carbon powders. They are easily treatable compared to those produced during incineration as they comprise larger particles due to the lower exercise temperature. Moreover, these are more concentrated given the larger volume of gas phase produced. • Gas, consisting essentially of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO) and inert gases due to infiltration. It is a gas with a calorific value between 12,500 and 20,900 kJ / Nm3. It does not contain nitrogen oxides due to moderate temperature and the strongly reducing atmosphere in which the process is conducted. • Pyrolysis oil, consisting mainly of partially oxidized organic compounds (acids, alcohols, esters). It is a fuel that must undergo a purification process due to the corrosive chlorine and sulfur products contained therein. It can be used for the endothermic supply necessary to carry out the pyrolysis reactions or be sold separately. • Pyrolysis solid waste or coke, which contains a mineral substrate from the inorganic fraction of the scrap and an organic carbon substrate. Such a residue may be used as solid fuel downstream of scrubbing treatments, or transformed into active charcoal. High temperature pyrolysis (about 2000 X) is performed at a high reaction rate (flash pyrolysis) and is characterized by a high thermal demolition yield of the waste in a reducing atmosphere and by minimization of tree gas or agricultural gas. synthesis with a very high yield.

Ulteriores características e vantagens da presente invenção resultarão mais claras da descrição de um exemplo de realização, feita a seguir a título ilustrativo e não limitativo, com referência as seguintes figuras: a figura 1 representa uma vista esquemática de uma instalação de pirólise para a atuação do processo da invenção; e - a figura 2 representa uma vista lateral em secção do reator, de acordo com a invenção. O processo da invenção permite que seja obtido um rendimento elevado em termos de gás de pirólise através da combinação de três parâmetros fundamentais: a) velocidade de reação; b) umidade; c) presença de catalisadores no material de matriz orgânica a ser submetido a pirólise. A velocidade de reação varia dentro do intervalo de 0,5 -1,5 horas, operando com uma temperatura compreendida entre 400 °C e 600 °C, mais preferivelmente entre 400 °C e 500 °C. Este se configura, portanto, como um processo de pirólise lenta. A quantidade de água é regulada em função do conteúdo de carbono no material a ser submetido a pirólise e é maior do que aquela presente nos processos de pirólise conhecidos. Em geral, a quantidade de água nop material a ser submetido a pirólise é igual a cerca de 30% um peso.Further features and advantages of the present invention will be more clearly apparent from the description of an exemplary and illustrative non-limiting embodiment hereinafter, with reference to the following figures: Figure 1 is a schematic view of a pyrolysis plant for actuating the invention. process of the invention; and Figure 2 is a sectional side view of the reactor according to the invention. The process of the invention enables a high pyrolysis gas yield to be obtained by combining three fundamental parameters: a) reaction rate; b) humidity; c) presence of catalysts in the organic matrix material to be subjected to pyrolysis. The reaction rate varies within the range of 0.5-1.5 hours, operating at a temperature of from 400 ° C to 600 ° C, more preferably from 400 ° C to 500 ° C. This is therefore a slow pyrolysis process. The amount of water is regulated as a function of the carbon content of the material to be pyrolyzed and is greater than that present in known pyrolysis processes. In general, the amount of water in the material to be pyrolised is about 30% by weight.

Através da expressão “cerca de 30% um peso” referida ao conteúdo de água do material a ser submetido a pirólise deve ser entendido um conteúdo aquoso compreendido ente 25% e 35% em peso.By the expression "about 30 wt.%" Referred to the water content of the material to be pyrolized is meant an aqueous content comprised between 25 wt% and 35 wt%.

Os catalisadores para o processo de pirólise da presente invenção são catalisadores para reações de craqueamento, preferivelmente escolhidos entre os catalisadores a base de ferro, níquel ou crômio. Considerando que se observa um incremento das propriedades catalíticas na ordem Fe < Ni < Cr, a escolha do catalisador pais apropriado é feita em função da reatividade do material de partida, a qual varia de acordo com a ordem biomassa > refugos orgânicos de matriz prevalentemente polimérica (plásticos). Portanto, será empregado 'preferencialmente um catalisador menos reativo para um substrato mais reativo.The catalysts for the pyrolysis process of the present invention are cracking reaction catalysts, preferably chosen from iron, nickel or chromium based catalysts. Considering that an increase in catalytic properties in the order Fe <Ni <Cr is observed, the choice of the appropriate parent catalyst is made according to the reactivity of the starting material, which varies according to the order biomass> predominantly polymeric matrix organic waste. (plastics). Therefore, a less reactive catalyst for a more reactive substrate will preferably be employed.

De preferência, tais metais são encontrados na forma de pó com uma granulometria não superior a 1 mm. Preferencialmente se emprega entre 100 e 300 mg de catalisador para cada Kg do material de partida.Preferably such metals are found in powder form with a particle size of not more than 1 mm. Preferably between 100 and 300 mg of catalyst is used for each kg of starting material.

Os escopos da presente invenção são alcançados graças a uma instalação e, especificamente, a um reator tal como a seguir delineado.The scopes of the present invention are achieved by means of an installation and specifically a reactor as outlined below.

Com referência as figuras, uma instalação, de acordo com a invenção, é indicada, no seu todo, pelo número 1. O material de matriz orgânica (refugos, biomassa, etc.) a ser pirolisado é transferido de uma banheira 10 para uma tremonha 3 através de meios de transporte 11, tipicamente um transportador helicoidal. Na tremonha 3 no material a ser pirolisado é adicionado o catalisador preestabelecido através do dosador 2. A tremolnha 3 é disposta sobre um transportador helicoidal 4. Meios de vácuo, tal como uma bomba de vácuo ou ventoinha, realizam e retirada do ar absorvido pelo material a ser pirolisado, de modo a criar, no interior do reator 5 de. pirólise, um vácuo de cerca de 5-10 mm de coluna d’água. O transportador helicoidal 4 transporta o material a ser pirolisado para o interior do reator de pirólise 5. O reator 5 compreende una câmara de reação 5a. A câmara de reação 5a é uma câmara cilíndrica horizontal rotativa. Coaxialmente a esta é disposta uma câmara de combustão 6 fixa. A câmara de combustão 6 é preferencialmente revestida de material refratário. A câmara de reação 5a compreende uma primeira porção 7 de pré-aquecimento, disposta a montante com relação a direção de avanço do material a ser pirolisado, e uma segunda porção 8 de pirólise, disposta a jusante da primeira porção de pré-aquecimento 7. A porção de pré-aquecimento 7 compreende, sobre a sua superfície externa, una aleta helicoidal 9. O pré-aquecimento do material a ser pirolisado tem também a função de evaporar toda a água em excesso eventualmente presente, levando o seu conteúdo abaixo de 30% em peso. o teor de desidratação é regulado variando a velocidade do transportador helicoidal 4 e, portanto, o tempo de permanência em tal secção 7. Mesmo uma desidratação excessiva ou inferior não leva, porém, a problemas uma vez que na porção sucessiva do reator toda a agia será evaporada e estará disponível para as reações com o carbono de craqueamento da matriz orgânica. A câmara de combustão 6 apresenta, por sua vez, uma primeira porção de pré-aquecimento 12, que contorna a porção de pré-aquecimento 7 da câmara de reação 5a, e uma segunda porção de aquecimento 13, a qual contorna a porção de pirólise 8 da câmara de reação 5a. Em dita segunda porção de aquecimento 13 são posicionados queimadores 14. Os queimadores 14 são dispostos longitudinalmente ao longo de toda a porção de aquecimento 13 da câmara de combustão 6, tipicamente na sua parte inferior. O combustível para os queimadores 14 poderá ser propano, metano e gasóleo, parte do gás de pirólise produzido no mesmo reator 5 (linha 24). A distribuição dos queimadores 14 longitudinalmente ao longo de toda a superfície da porção de pirólise 8 da câmara de reação 5a permite que sejam atingidas temperaturas na casca da porção de pirólise 8 de cerca de 800 °C, otimizando o aquecimento interno do reator. Deste modo o rendimento do craqueamento é incrementado.With reference to the figures, an installation according to the invention is indicated as a whole by the number 1. The organic matrix material (scrap, biomass, etc.) to be pyrolyzed is transferred from a bathtub 10 to a hopper. 3 through conveyor means 11, typically a helical conveyor. In the hopper 3 in the material to be pyrolyzed the pre-set catalyst is added via the metering device 2. Hopper 3 is arranged on a helical conveyor 4. Vacuum means, such as a vacuum pump or fan, make and remove air absorbed by the material. to be pyrolyzed to create within the reactor 5 of. pyrolysis, a vacuum of about 5-10 mm water column. The helical conveyor 4 carries the material to be pyrolyzed into the pyrolysis reactor 5. The reactor 5 comprises a reaction chamber 5a. Reaction chamber 5a is a rotating horizontal cylindrical chamber. Coaxially there is disposed a fixed combustion chamber 6. The combustion chamber 6 is preferably coated with refractory material. The reaction chamber 5a comprises a first preheating portion 7 arranged upstream with respect to the direction of advance of the material to be pyrolyzed and a second pyrolysis portion 8 disposed downstream of the first preheating portion 7. The preheating portion 7 comprises a helical fin 9 on its outer surface. The preheating of the material to be pyrolyzed also has the function of evaporating any excess water that may be present, bringing its content below 30 ° C. % by weight. the dehydration content is regulated by varying the speed of the helical conveyor 4 and thus the residence time in such a section 7. Even excessive or lower dehydration does not, however, lead to problems since in the successive portion of the reactor all the agia will be evaporated and available for reactions with the organic matrix cracking carbon. The combustion chamber 6 in turn has a first preheating portion 12, which surrounds the preheating portion 7 of reaction chamber 5a, and a second heating portion 13, which surrounds the pyrolysis portion. 8 of reaction chamber 5a. In said second heating portion 13 burners 14 are positioned. The burners 14 are disposed longitudinally along the entire heating portion 13 of the combustion chamber 6, typically at its bottom. The fuel for burners 14 may be propane, methane and diesel, part of the pyrolysis gas produced in the same reactor 5 (line 24). The distribution of the burners 14 longitudinally over the entire surface of the pyrolysis portion 8 of the reaction chamber 5a allows temperatures in the shell of the pyrolysis portion 8 of about 800 ° C to be achieved, optimizing the internal heating of the reactor. In this way the cracking performance is increased.

Antes de sair da câmara de combustão 6, os fumos de combustão, possuindo uma temperatura de cerca de 1200 °C, passam através da porção de pré-aquecimento 12 percorrendo um percurso em espiral determinado pela aleta helicoidal 9, maximizando assim o tempo de contato com a parede da porção de pré-aquecimento 7 da câmara de reação 5a. Os fumos são então eliminados através da linha 19 aspirada por meios de aspiração 20 e, após passarem através dos meios de troca térmica 21 e de oportunos meios de depuração com o emprego de soluções de uréia em um reator SNCR 21a, são descarregados em uma via 22.Prior to leaving combustion chamber 6, combustion fumes having a temperature of about 1200 ° C pass through the preheating portion 12 along a spiral path determined by the helical fin 9, thereby maximizing contact time. with the wall of the preheating portion 7 of the reaction chamber 5a. The fumes are then eliminated through line 19 aspirated by suction means 20 and, after passing through heat exchange means 21 and appropriate purification means employing urea solutions in an SNCR 21a reactor, are discharged in one way. 22

Nos meios de troca térmica 21 é pré-aquecido o ar que, através da linha 23, é injetado nos queimadores 14 como comburente. A jusante da câmara de reação 5a, o reator 5 compreende uma câmara de eixo vertical 15, aberta no fundo a partir do qual são descarregados o carbono com os inertes, através de válvulas de gaveta automatizadas. Os inertes e o carbono são recolhidos em uma banheira 16, a partir da qual são transferidos, através de um transportador helicoidal 17, para um duto 18 resfriado com água e então para os vagonetes para a sua retirada da instalação. Uma parte destes, sempre através do transportador helicoidal 17, pode ser enviada para a tremonha 3 para a recirculação e para a maximização da produção do gás de pirólise.In the heat exchange means 21 air is preheated which, through line 23, is injected into the burners 14 as oxidizing. Downstream of the reaction chamber 5a, the reactor 5 comprises a vertical axis chamber 15, open at the bottom from which carbon with the inert is discharged via automated gate valves. The inert and carbon are collected in a bathtub 16, from which they are transferred via a helical conveyor 17 to a water-cooled duct 18 and then to the carts for removal from the installation. A portion of these, always via the helical conveyor 17, may be sent to hopper 3 for recirculation and maximization of pyrolysis gas production.

No reator 5, mantido a uma temperatura compreendida entre 400 °C e 500 °C, tipicamente de cerca de 450 °C, e em atmosfera carente de oxigênio, o material sofre um processo térmico de decomposição e o carbono assim produzido reagem com a água para formar o gás de pirólise (hidrogênio e oxido de carbono) com um rendimento de cerca de 80% em peso. O gás de pirólise que sai da câmara de reação 5a do reator 5 é enviado, através da linha 25, para um separador tipo ciclone 26 para a eliminação dos pós. O ciclone realiza a separação das partículas sólidas ou líquidas presentes no fluxo gasoso aproveitando da força centrifuga desenvolvida pelo movimento em vórtice imposto ao dito fluxo gasoso.In reactor 5, maintained at a temperature of between 400 ° C and 500 ° C, typically about 450 ° C, and in an oxygen-depleted atmosphere, the material undergoes a thermal decomposition process and the carbon thus produced reacts with water. to form the pyrolysis gas (hydrogen and carbon oxide) in a yield of about 80 wt%. Pyrolysis gas leaving reaction chamber 5a of reactor 5 is sent through line 25 to a cyclone separator 26 for disposal of powders. The cyclone separates the solid or liquid particles present in the gas flow taking advantage of the centrifugal force developed by the vortex movement imposed to said gas flow.

Do ciclone 26 os gases de pirólise, livres da maior parte dos pós, são submetidos a uma fase de resfriamento rápido (quench) de cerca de 450 °C a cerca de 40-60 °C. Em tal fase obtém-se ademais a condensação dos gases ácidos (HCi, S02). A fase de quench é realizada adicionando-se água fria ao gás com controle de temperatura. O gás, na saída do ciclone 26 ao longo da linha 27, é levado a passar através de uma unidade de resfriamento rápido 28 dotada preferencialmente de um duto com secção restrita, no qual, por efeito Venturi, a água é injetada de uma forma finamente dispersa no gás. O gás assim resfriado é enviado a uma unidade de lavagem 29. Tal unidade de lavagem consiste preferencialmente de uma torre de lavagem (scrubber) a qual compreende um reservatório vertical preenchido com material inerte (spiralette - esperazinhas). Em tal reservatório, em contracorrente com relação ao fluxo do gás, são alimentadas as águas básicas de lavagem, para a neutralização das substâncias ácidas presentes no gás de pirólise. Tais águas básicas podem vantajosamente serem constituídas por água misturada com leite de cal viva.From cyclone 26 pyrolysis gases, free from most powders, are subjected to a quench phase of from about 450 ° C to about 40-60 ° C. In such phase the condensation of the acid gases (HCl, SO2) is obtained. The quench phase is performed by adding cold water to the temperature controlled gas. The gas at the outlet of cyclone 26 along line 27 is passed through a rapid cooling unit 28 preferably provided with a restricted section duct into which, by venturi effect, water is injected finely. disperses in gas. The gas thus cooled is sent to a washing unit 29. Such a washing unit preferably consists of a scrubber which comprises a vertical reservoir filled with inert material (spiralette). In such a reservoir, in countercurrent with the gas flow, the basic washing waters are fed to neutralize the acidic substances present in the pyrolysis gas. Such basic waters may advantageously consist of water mixed with quicklime milk.

As águas de lavagem, possuindo uma temperatura de cerca de 40-60 °C, são enviadas a um decantador 30 para a separação das águas clarificadas pelo lodo. O lodo, através da linha 32a, é enviado para o topo da instalação na tremonha 3.Washing waters having a temperature of about 40-60 ° C are sent to a decanter 30 for separation of the clarified waters by the sludge. The sludge, through line 32a, is sent to the top of the installation in hopper 3.

As águas clarificadas são reavivadas ao longo da linha 32 para a unidade de lavagem 29 e para a unidade de resfriamento rápido 28. O gás de pirólise, que sai da unidade de lavagem 29 ao longo da linha 33, é forçado a passar por uma unidade de condensação 31, na qual as partículas líquidas residuais condensam e são então eliminadas, obtendo-se um gás de pirólise com pureza elevada, o que permite um rendimento elevado de transformação energética.The clarified waters are revived along line 32 to wash unit 29 and rapid cooling unit 28. Pyrolysis gas exiting from wash unit 29 along line 33 is forced to pass through one unit. condensation 31, in which the residual liquid particles condense and are then eliminated, yielding a high purity pyrolysis gas, which enables a high yield of energy transformation.

Em uma forma de realização, a unidade de condensação 31 é constituída de um trocador de calor com recuperação gás-gás em serpentina, associado a um grupo de refrigeração 31a, no qual o fluido refrigerante é, por exemplo, constituído de uma solução de glicol de etileno.In one embodiment, the condensing unit 31 is comprised of a gas-coil recovery heat exchanger associated with a cooling group 31a, in which the refrigerant is, for example, comprised of a glycol solution. of ethylene.

Na saída da unidade de condensação 31, ao longo da linha 34, o gás de pirólise purificado é encaminhado, através de oportunos meios de bombeamento 35 (por exemplo, aspiradores de pás rotativas), a um pulmão de acumulação 36 (acumulador pressostático de membrana dupla ou gasômetro).At the outlet of the condensing unit 31, along line 34, the purified pyrolysis gas is routed through suitable pumping means 35 (e.g. rotary vane aspirators) to an accumulation lung 36 (membrane pressure accumulator). or gasometer).

Como dito anteriormente, o gás de pirólise pode ser enviado, em parte e ao longo da linha 24, para os queimadores 14, enquanto que a linha 37 o conduz para o grupo de co-geração 38, tipicamente constituído de um motor a combustão interna e de um alternador conectado no eixo principal do motor.As stated above, pyrolysis gas can be sent, in part and along line 24, to burners 14, while line 37 leads it to cogeneration group 38, typically consisting of an internal combustion engine. and an alternator connected to the main motor shaft.

Nas formas de realização, o gás de pirólise purificado pode ser enviado, ao longo da linha 39, para uma tocha de emersão 40, na qual o gás é queimado antes da sua emissão na atmosfera. Esta solução é útil tanto para o caso em que a produção exceda a capacidade do pulmão de acúmulo 36 (o gás é enviado ao longo da linha 41 ao invés de para o pulmão de acumulo 36), quanto no caso em que se faça necessário realizar um esgotamento forçado do pulmão de acumulo (linha 42).In embodiments, the purified pyrolysis gas may be sent along line 39 to an emersion torch 40 in which the gas is burned prior to its emission into the atmosphere. This solution is useful both when production exceeds the capacity of accumulation lung 36 (gas is sent along line 41 rather than to accumulation lung 36), and where it is necessary to perform a forced exhaustion of the accumulating lung (line 42).

Por meio do termo “linha”, na presente descrição, deve-se entender uma tubulação na qual o gás circula, de modo natural ou forçado através de meios oportunos de bombeamento ou de aspiração.By the term "line" in the present description is meant a pipe in which gas circulates, either naturally or forcedly through suitable pumping or suctioning means.

Um uma forma de realização, a instalação é dotada de uma linha 43, 44 para a recirculação de um gás inerte através do reator e do ciclone 26. Esta linha é ativada na fase de início e de parada da instalação. O gás inerte, tipicamente nitrogênio, é aquecido no interior do reator 5, então é posto a circular ao longo da linha 25, do ciclone 26 e das linhas 43, 44 de modo a aquecer as tubulações ao longo do percurso dos gases de pirólise na saída do reator. Isto evita a condensação de hidro carbonetos líquidos os quais poderíam se formar em temperaturas baixas em tais tubulações, depositando-se sobre as paredes tanto das quanto do ciclone. Uma vez que o reator é iniciado ou partido, a mesma temperatura dos gases de pirólise mantém a tubulação a uma temperatura suficientemente alta de modo a evitar a formação de hidrocarbonetos líquidos. A instalação de pirólise, de acordo com a presente invenção, pode ser vantajosamente integrada com uma unidade de comando e de controle, operada por meio de um algoritmo que, utilizando como entrada a vazão de ingresso e a caracterização do material de matriz orgânica alimentado no reator e as características de todos os fluxos ingressantes e de saída do sistema, tanto em termos globais quanto dos componentes unitários, permita que sejam realizados os balanços de matéria e de energia. A instalação é dotada de oportunos detectores e/ou sensores de temperatura, pressão e composição para as análises químico-analíticas tanto para o gás de pirólise quanto para os fumos produzidos, os quais geral um conjunto de valores para os parâmetros que é utilizado como entrada (input) para a unidade de comando e de controle durante todas as fases do processo. O algoritmo matemático, em particular, fornece as seguintes saídas: • A vazão, a composição media e as características físico-químicas que revelam o gás de pirólise produzido, quais temperatura, viscosidade, densidade, poder calorífico; • a vazão do pó de carbono produzido e o seu poder calorífico; • a vazão e as composições dos fumos da combustão; ■ a quantidade de inertes a serem assimilados; • os condensados produzidos; • a vazão do gás de pirólise necessário para manter o reator uma temperatura de cerca de 450 °C, necessária para dar início as reações de pirólise; • o excedente de ar necessário a combustão do gás de pirólise e dos combustíveis auxiliares nos queimadores do reator. O processo de pirólise, de acordo com a presente invenção, compreende portanto e em geral as seguintes fases operacionais: a) colocar a disposição uma instalação tal como supra definida; b) adicionar um catalisador de reação de craqueamento, preferivelmente escolhido entre os catalisadores a base de níquel, ferro ou crômio, a dito material de matriz orgânica; c) pré-aquecer o dito material de matriz orgânica e regular os conteúdo de água em cerca de 30%, em peso; d) pirólise lenta de dito material de matriz orgânica e recuperar os gases de pirólise compreendendo hidrogênio e monóxido de carbono; e) fase de resfriamento rápido de ditos gases de pirólise; e f) fase de lavagem dos ditos gases de pirólise resfriados. A fase c) de pré-aquecimento e regulagem do conteúdo de água prevê normalmente a evaporação da água em excesso até que se atinja a quantidade desejada, uma vez que o material orgânico tipicamente apresenta um conteúdo de água superior a 30%.One embodiment, the installation is provided with a line 43, 44 for recirculation of an inert gas through reactor and cyclone 26. This line is activated at the start and stop phase of the installation. The inert gas, typically nitrogen, is heated inside reactor 5, then circulated along line 25, cyclone 26 and lines 43, 44 to heat the pipelines along the pyrolysis gas pathway in the reactor. reactor output. This prevents condensation of liquid hydrocarbons which could form at low temperatures in such pipelines, depositing on both the cyclone and the walls. Once the reactor is started or broken, the same temperature as the pyrolysis gases keeps the piping at a sufficiently high temperature to prevent the formation of liquid hydrocarbons. The pyrolysis plant according to the present invention may advantageously be integrated with a command and control unit operated by an algorithm which, using the inlet flow and the characterization of the organic matrix material fed into the feedstock as input. reactor and the characteristics of all incoming and outgoing system flows, both globally and in unit components, allow for material and energy balances. The facility is equipped with suitable temperature, pressure and composition detectors and / or sensors for chemical-analytical analyzes for both the pyrolysis gas and the fumes produced, which include a set of parameter values that is used as input. (input) to the command and control unit during all phases of the process. The mathematical algorithm, in particular, provides the following outputs: • The flow, average composition and physicochemical characteristics that reveal the pyrolysis gas produced, which temperature, viscosity, density, calorific value; • the flow rate of the carbon powder produced and its calorific value; • the flow and the composition of the combustion fumes; ■ the amount of inert to be assimilated; • the condensates produced; • the pyrolysis gas flow rate required to maintain the reactor at a temperature of about 450 ° C required to initiate pyrolysis reactions; • Excess air required for combustion of pyrolysis gas and auxiliary fuels in reactor burners. The pyrolysis process according to the present invention therefore generally comprises the following operational steps: (a) making available an installation as defined above; b) adding a cracking reaction catalyst, preferably chosen from nickel, iron or chromium based catalysts, to said organic matrix material; c) preheating said organic matrix material and regulating the water content by about 30% by weight; d) slowly pyrolysis of said organic matrix material and recovering pyrolysis gases comprising hydrogen and carbon monoxide; e) the rapid cooling phase of said pyrolysis gases; and f) washing phase of said cooled pyrolysis gases. Step c) of preheating and regulating the water content usually provides for excess water to evaporate to the desired amount, as the organic material typically has a water content of greater than 30%.

Todavia, no caso de um material orgânico com um conteúdo de água inferior, a fase de regulagem pode prever a adição de uma quantidade de água de modo a se obter um conteúdo total igual ao valor desejado.However, in the case of an organic material with a lower water content, the adjustment phase may provide for the addition of an amount of water to obtain a total content equal to the desired value.

Em uma forma de realização, o procedimento da invenção compreende uma fase de início ou de parada da instalação na qual é posto a recircular no reator 5, ao longo da linha 25 a jusante do reator 5 e no ciclone 26 um gás inerte de pré-aquecimento. O processo da invenção apresenta muitas vantagens que, em parte, já foram evidenciadas. O processo pode ser aplicado tanto em biomassa agrícola ou florestal, quanto nos refugos de qualquer natureza, desde que contenham uma matriz orgânica, quais plásticos, papel, tecidos, material orgânico passível de putrefação, etc. O processo permite ademais a maximização da produção de gás de pirólise, fonte útil de energia. Ao mesmo tempo, chega-se a uma produção mínima de carbono e a uma total ausência de combustíveis líquidos. O requisito energético da instalação é garantido pelo gás de pirólise produzido. A aleta helicoidal 9 permite incrementar o contato dos fumos da combustão com as paredes da porção de pré-aquecimento 7 da câmara de reação 5a. O pré-aquecimento das tubulações e do ciclone através do gás inerte permite que seja evitada a condensação de hidrocarbonetos líquidos. A disposição longitudinal dos queimadores 14 aumenta a eficiência do aquecimento da porção de pirólise 8 da câmara de reação 5a. A pirólise lenta, úmida e catalisada, de acordo com a presente invenção, pode portanto ser considerada como uma inovação nos processos de pirólise uma vez que permite que seja alcançada a transformação do material de matriz orgânica em gás de síntese com, um rendimento final superior àquele dos processos de pirólise convencionais. Dadas as suas características, o gás obtido pode ser convertido em energia elétrica através de motores simples a combustão interna, motores cuja tecnologia já está consolidada.In one embodiment, the procedure of the invention comprises a start or stop phase of the installation in which reactor 5 is recirculated along line 25 downstream of reactor 5 and in cyclone 26 a pre-inert gas. heating. The process of the invention has many advantages that have already been highlighted in part. The process can be applied to both agricultural and forest biomass, as well as to refuse of any kind, as long as it contains an organic matrix, such as plastics, paper, fabrics, rotting organic material, etc. The process also allows the maximization of the production of pyrolysis gas, useful source of energy. At the same time, there is minimal carbon production and a total absence of liquid fuels. The energy requirement of the installation is guaranteed by the pyrolysis gas produced. The helical fin 9 allows to increase the contact of the combustion fumes with the walls of the preheating portion 7 of the reaction chamber 5a. Preheating the pipes and cyclone through inert gas allows condensation of liquid hydrocarbons to be avoided. The longitudinal arrangement of the burners 14 increases the heating efficiency of the pyrolysis portion 8 of the reaction chamber 5a. Slow, wet catalyzed pyrolysis according to the present invention can therefore be considered as an innovation in pyrolysis processes as it enables the transformation of organic matrix material into synthesis gas with a higher final yield. that of conventional pyrolysis processes. Given its characteristics, the gas obtained can be converted into electrical energy through simple internal combustion engines, engines whose technology is already consolidated.

Fica evidente que foi descrita apenas uma forma particular de realização da presente invenção, e que um perito na arte esta apto a fornecer todas as modificações necessárias para a sua adaptação a aplicações particulares, sem contudo escapar do âmbito de proteção da presente invenção.It is evident that only one particular embodiment of the present invention has been described, and that one skilled in the art is able to provide all modifications necessary for its adaptation to particular applications, without however escaping the scope of protection of the present invention.

Claims (18)

1. Instalação para a pirólise de um material de matriz orgânica, compreendendo: - uma câmara de reação (5a) subdividida em uma porção de pré-aquecimento (7) e em uma porção de pirólise (8), a jusante de dita porção de pré-aquecimento (7); - uma câmara de combustão (6) co-axial e externa em relação a dita câmara de reação (5a), dita câmara de combustão (6) sendo subdividida em uma porção de pré-aquecimento (12), a qual envolve a dita porção de pré-aquecimento (7) da câmara de combustão (5a), e em uma porção de aquecimento (13) a qual envolve a dita porção de pirólise (8) da câmara de^ reação (5a), a dita porção de aquecimento (13) da câmara de combustão (6) hospedando queimadores (14), caracterizada pelo fato de que: - a dita câmara de reação (5a) é rotativa ao longo de um eixo horizontal no interior de dita câmara de combustão (6), e a superfície externa da porção de pré-aquecimento (7) da câmara de reação (5a) compreende uma aleta helicoidal (9) a qual cria um percurso em espiral para o gás de combustão gerado pelos queimadores (14).A plant for the pyrolysis of an organic matrix material, comprising: - a reaction chamber (5a) subdivided into a preheating portion (7) and a pyrolysis portion (8) downstream of said portion of preheating (7); - a combustion chamber (6) coaxial and external to said reaction chamber (5a), said combustion chamber (6) being subdivided into a preheating portion (12) which surrounds said portion (7) of the combustion chamber (5a), and in a heating portion (13) which surrounds said pyrolysis portion (8) of the reaction chamber (5a), said heating portion ( 13) of the combustion chamber (6) hosting burners (14), characterized in that: - said reaction chamber (5a) is rotatable along a horizontal axis within said combustion chamber (6), and The outer surface of the preheating portion (7) of the reaction chamber (5a) comprises a helical fin (9) which creates a spiral path for the flue gas generated by the burners (14). 2. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os ditos queimadores (14) estão dispostos longitudinalmente por todo o cumprimento da porção de aquecimento (13) da dita câmara de combustão (6).Plant according to Claim 1, characterized in that said burners (14) are arranged longitudinally along the entire length of the heating portion (13) of said combustion chamber (6). 3. Instalação, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de compreender meios de troca térmica (21) para a fumaça da combustão evacuada da câmara de combustão (6), sendo que em ditos meios de troca térmica (21) passa uma linha (23) que conduz ar carburante para os queimadores (14).Installation according to Claim 1 or 2, characterized in that it comprises heat exchange means (21) for the combustion chamber evacuated combustion smoke (6), and in said heat exchange means (21). passes a line (23) which directs air to the burners (14) 4. Instalação, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 1 a 3, caracterizada pelo fato de que, a jusante do reator (5), é disposto um ciclone (26) para eliminar o pó do gás de pirólise.Plant according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a cyclone (26) is disposed downstream of the reactor (26) to remove dust from the pyrolysis gas. 5. Instalação, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a jusante do ciclone (26) é disposta uma unidade de resfriamento rápido (28) para o resfriamento dos gases de pirólise até uma temperatura compreendida entre 40 °C e 60 °C.Installation according to Claim 4, characterized in that downstream of cyclone (26) a rapid cooling unit (28) is provided for cooling pyrolysis gases to a temperature of 40 ° C to 60 ° C. ° C. 6. Instalação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a dita unidade de resfriamento rápido (28) compreende um dito de secção restrita para a injeção de água finamente dispersa.Installation according to Claim 5, characterized in that said rapid cooling unit (28) comprises a restricted cross-section for finely dispersed water injection. 7. Instalação, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que, a jusante da dita unidade de resfriamento rápido (28) é disposta uma unidade de lavagem (29).Installation according to claim 5 or 6, characterized in that a washing unit (29) is arranged downstream of said rapid cooling unit (28). 8. Instalação, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a dita unidade de lavagem (29) compreende um reservatório vertical preenchido com material inerte para a lavagem do gás, em contracorrente, com uma chuva de água.Installation according to Claim 7, characterized in that said washing unit (29) comprises a vertical reservoir filled with inert material for backwashing the gas with a rain of water. 9. Instalação, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizada pelo fato de que, a jusante da dita unidade de lavagem (29) é disposta uma unidade de condensação (31) para os líquidos residuais do gás de pirólise.Installation according to Claim 7 or 8, characterized in that a condensing unit (31) is provided downstream of said flushing unit (29) for residual pyrolysis gas liquids. 10. Instalação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a dita unidade de condensação (31) é um trocador de calor de recuperação gás-gás em serpentina associado a um grupo refrigerador (31a), sendo que o fluido refrigerante é preferivelmente constituído de uma solução de glicol de etileno.Installation according to Claim 9, characterized in that said condensing unit (31) is a gas-coil recovery heat exchanger associated with a refrigeration group (31a), the refrigerant being It is preferably comprised of an ethylene glycol solution. 11. Instalação, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 1 a 10, caracterizada pelo fato de compreender uma linha (43, 44) para a recirculação de um gás inerte aquecido através do reator (5) e do ciclone (26) durante a fase de inicio e de parada da instalação.Plant according to any one of claims 1 to 10, characterized in that it comprises a line (43, 44) for the recirculation of a heated inert gas through the reactor (5) and the cyclone (26) during the start and stop phase of the installation. 12. Processo de pirólise lenta de um material de matriz orgânica, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes fases: a) colocar a disposição uma instalação tal como definida em qualquer das reivindicações precedentes; b) adicionar um catalisador de reação de craqueamento, preferivelmente escolhido entre os catalisadores a base de níquel, ferro ou crômio, a dito material de matriz orgânica; c) pré-aquecer o dito material de matriz orgânica e regular os conteúdo de água em cerca de 30%, em peso; d) conduzir uma pirólise lenta de dito material de matriz orgânica e recuperar os gases de pirólise compreendendo hidrogênio e monóxido de carbono; e) resfriar rapidamente ditos gases de pirólise; e f) lavar os ditos gases de pirólise resfriados.A slow pyrolysis process of an organic matrix material, comprising the following steps: (a) disposing of an installation as defined in any of the preceding claims; b) adding a cracking reaction catalyst, preferably chosen from nickel, iron or chromium based catalysts, to said organic matrix material; c) preheating said organic matrix material and regulating the water content by about 30% by weight; d) conducting slow pyrolysis of said organic matrix material and recovering pyrolysis gases comprising hydrogen and carbon monoxide; e) rapidly cooling said pyrolysis gases; and f) flushing said cooled pyrolysis gases. 13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a dita pirólise lenta é conduzida por uma tempo compreendido entre 0,5 e 1,5 horas e a uma temperatura compreendida entre 400 °C e 500 °C, ou então em cerca de 450 °C.Process according to Claim 12, characterized in that said slow pyrolysis is conducted for a time between 0.5 and 1.5 hours and at a temperature between 400 ° C and 500 ° C, or then at about 450 ° C. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o dito catalisador de reação de craqueamento é adicionado em uma quantidade de 100-300 mg por Kg do material de matriz orgânica.Process according to Claim 12 or 13, characterized in that said cracking reaction catalyst is added in an amount of 100-300 mg per kg of organic matrix material. 15. Processo, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 12 a 14, caracterizado pelo fato de que os ditos gáses de pirólise, antes de serem submetidos a dota fase e) de resfriamento rápido, sofrem um tratamento de despulverização.Process according to any one of claims 12 to 14, characterized in that said pyrolysis gases, prior to being subjected to dota rapid cooling phase e), undergo a depulverization treatment. 16. Processo, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 12 a 15, caracterizado pelo fato de que a dita fase e) de resfriamento rápido é realizada mediante a injeção de água em ditos gases de pirólise em temperatura controlada.Process according to any one of claims 12 to 15, characterized in that said rapid cooling step e) is carried out by injecting water into said temperature controlled pyrolysis gases. 17. Processo, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 12 a 16, caracterizado pelo fato de compreender uma fase de início e/ou de parada da instalação, na qual é feito recircular no reator (5), ao longo da linha (25) a jusante do reator (5) e no ciclone (26), um gás inerte de pré-aquecimento, sendo que o dito gás inerte é preferivelmente o nitrogênio.Process according to any one of claims 12 to 16, characterized in that it comprises a start and / or stop phase of the installation in which the reactor (5) is recirculated along the line ( 25) downstream of reactor (5) and cyclone (26), a preheating inert gas, said inert gas being preferably nitrogen. 18. Processo, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 12 a 17, caracterizado pelo fato de que os ditos gases de pirólise são utilizados em uma instalação de co-geração de energia elétrica/calor.Process according to any one of claims 12 to 17, characterized in that said pyrolysis gases are used in a power / heat cogeneration facility.
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