BR102019014142B1 - Sistema termoquímico para tratamento de resíduos e obtenção de combustíveis em reator de três estágios, câmara de alta turbulência e método - Google Patents

Abstract

O seguinte resumo para invenção se refere ao desenvolvimento de um novo aparato para conversão de resíduos em geral em biocombustíveis, através da tecnologia de decomposição termoquímica de produtos carbonáceos, compreendendo um silo de armazenagem de resíduos (1), solidário a um sistema de elevação (2) e transporte, dotado de balança e separador magnético para metais, que entrega estes resíduos para um silo pulmão intermediário desidratador (3) que é selado hermeticamente e está posicionado na parte superior do reator de alta turbulência (4), sendo que o resíduo passa do desidratador para o reator de câmara de alta turbulência (4), reator este dotado de câmara de combustão para ativação (9) posicionada na parte inferior do dito reator, de onde se projeta um extrator de cinzas (10) que demanda estas cinzas para um depósito (11), sendo que o sistema conta com um ciclone de separação (5) cooperante com o dito reator (4) e solidário ao resfriador de gases (6) por meio de um exaustor centrífugo (12), sendo ditos gases demandados para a atmosfera passando por um queimador (8), sendo que um ventilador centrífugo (7) entrega ar para o reator (4) pela parte inferior.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] O seguinte relatório descritivo para invenção se refere ao desenvolvimento de um novo aparato para conversão de resíduos em geral em biocombustíveis, através da tecnologia de decomposição termoquímica de produtos carbonáceos. A tecnologia também contempla o processo de fabricação do aparato e operação do mesmo sob condições de performance definidas.

ESTADO DA ARTE

[002] A decomposição termoquímica de materiais orgânicos e carbonáceos garante que qualquer produto retorne ao estado original da molécula da matéria, convertendo cadeias químicas complexas em compostos de arranjo simplificado, na forma física gasosa, liquida ou sólida. Ambas, possuem poder calorífico suficiente para gerar energia térmica em contato com atmosfera oxidante, daí a maneira de se obter biocombustíveis com o aparato. Como são convertidos em porções distintas durante o processo, existe a necessidade de escolha de parâmetros operacionais conforme a caracterização do resíduo a ser processado.

[003] O documento WO 2016170000 descreve um método para preparar combustíveis líquidos e um sólido carbonáceo por meio de decomposição termoquímico de resíduos, em que o líquido combustível compreende alguns compostos químicos bem determinados, independentemente do tipo de resíduos tratado, a invenção se refere ainda a um líquido combustível com elevado poder calorífico. Valor que é obtenível com o método descrito, entre cujos componentes podem ser encontrados compostos químicos, independentemente do tipo de resíduo tratado.

[004] Uma planta para gaseificação de material orgânico sólido é descrita no RU 2439129 que inclui o reator termoquímico, dispositivo de carregamento de material bruto na forma de transportador encerrado em uma caixa vedada, sistema de drenagem de gás combustível e dispositivo de descarga de cinzas, incluindo coletor de cinzas equipado com bloqueio de fluido e helicoide para remoção de cinzas do reator. O transportador está ligado ao reator termoquímico de um lado e ao coletor de matéria-prima equipado com um bloqueio de fluido, no outro lado. A escotilha para ignição de matéria-prima está localizada na parte inferior do reator termoquímico. A instalação é equipada com dispositivo de limpeza de superfície do reator termoquímico interno, incluindo raspadores montados para girar em torno do eixo do reator termoquímico, e grade helicoidal rotativa instalada sob coletor de cinzas.

[005] O documento CN 103502733 descreve um sistema e método para conversão termoquímica de resíduos, compreendendo: uma câmara de combustão principal capaz de reter a carga de resíduos, e a câmara de combustão principal compreende ainda meios para aquecer os resíduos para produzir corrente de gás de síntese e calor; grelha que está localizada no interior da câmara principal e é capaz de suportar os resíduos durante a carga de aquecimento; câmara de mistura, em que o gás de síntese é misturado com gás de combustão adicional; vistas de câmara múltipla de combustão, onde a mistura de gás de síntese é queimada; e um sistema de extração de energia para extrair calor da mistura de combustão de gás de síntese e o gás de combustão adicional gerado.

PROBLEMAS DA TÉCNICA

[006] Os sistemas descritos para a decomposição termoquímica de materiais são caros e envolvem grandes plantas. Também, envolvem temperaturas altas para realização das etapas do processo.

SOLUÇÃO PROPOSTA

[007] Processos termoquímicos de conversão são empregados em diversos processos e reações químicas, porém o presente invento direciona esse tipo de tecnologia à conversão energética de resíduos em reator de leito fixo ou fluidizado, que poderá realizar, carbonização, pirolise, gaseificação e combustão da matéria-prima carbonácea. A operação de carbonização, é realizada a temperaturas de reação controladas na faixa de até 200~250°C, onde, o produto final da reação é carvão sólido de biomassa, gás e ácido pirolítico. Na fase de pirólise, a temperatura chega a até 600~650°C, e as frações compreendem a formação de carvão, gás de síntese, ácido pirolítico e óleo ou alcatrão, sendo este último em maior quantidade. Na gaseificação, a priori é produzido gás de síntese, ou gás produto, traços de particulados e carvão, e uma fração reduzida de alcatrões. Em combustão, a reação objetiva a oxidação total da matéria prima, resultando em vapor de água, gás carbônico e cinzas. Cada um dos processos é controlado pela relação ar/combustível ou fator de ar. Com exceção da combustão, todos os anteriores são processos realizados em atmosfera redutora, e a combustão em atmosfera totalmente oxidante.

[008] Serão variáveis deste processo as temperaturas envolvidas nas diversas camadas da coluna de reação, pressão interna, e vazão de admissão do agente oxidante, além do monitoramento da composição do combustível formado. As matérias-primas úteis ao processo pode ser todo e qualquer resíduo carbonáceo gerado em municípios, agroindústrias, cadeias de processamento florestal e indústrias em geral entre outros. As exigências condicionais para estes resíduos para injeção dentro do reator são umidade de até 65%, baixo teor gravimétrico de vidros, metais e cerâmicos.

SUMÁRIO

[009] O requerido processo refere-se ao desenvolvimento de um novo aparato para conversão de resíduos em geral em biocombustíveis, através da tecnologia de decomposição termoquímica de produtos carbonáceos. A tecnologia também contempla o processo de fabricação do aparato e operação do mesmo sob condições de performance definidas.

[0010]A aplicabilidade do aparato está diretamente relacionada a geração de energia renovável, redução da emissão de gases de efeito estufa, preservação ambiental e valoração comercial de resíduos, agregando utilidade social aos mesmos. As possibilidades apresentadas com o novo tipo de reator exploram desde a faixa de carbonização até combustão da matéria-prima. Os três estágios do reator maximizam seu rendimento, e permite ao reator operar com alta taxa específica de processamento de matéria prima, atingindo valores acima de 600kg/h.m2 de matéria prima.

DESCRIÇÃO

[0011] A caracterização da presente invenção é feita por meio de um desenho representativo do método termoquímico para tratamento de resíduos e obtenção de combustíveis em reator de três estágios e câmara de alta turbulência, de tal modo que produto possa ser integralmente reproduzido por técnica adequada, permitindo plena caracterização da funcionalidade do objeto pleiteado.

[0012] A partir da figura elaborada que expressa a melhor forma ou forma preferencial de se realizar o produto ora idealizado, se fundamenta a parte descritiva do relatório, através de uma numeração detalhada e consecutiva, onde a mesma esclarece aspectos que possam ficar subentendidos pela representação adotada, de modo a determinar claramente a proteção ora pretendida.

[0013] Esta figura é meramente ilustrativa, podendo apresentar variações, desde que não fujam do inicialmente pleiteado.

[0014] Neste caso se tem que: - A FIGURA 1 mostra, de modo esquemático, o sistema termoquímico proposto.

[0015] O objetivo do invento é apresentar uma maneira ambientalmente correta e rentável para a decomposição e destinação final de resíduos sólidos, urbanos ou industriais, tornando possível transformar os resíduos orgânicos e inorgânicos em combustíveis de cadeias carbônicas simples e que gerem energia limpa, contribuindo para o meio ambiente e resolvendo problemas de acúmulo de resíduos em aterros sanitários e “lixões”. O resíduo formado no processo é composto por cinzas volantes que podem ter destinação como adubo orgânico, a uma taxa de até 10% da quantidade de resíduo tratado no reator.

[0016] O método termoquímico para o tratamento de resíduos e obtenção de combustíveis em reator de três estágios e câmara de alta turbulência, é particularmente voltado ao gerenciamento de resíduos com eliminação e destruição destes resíduos por tratamento termoquímico. Isto é fundamental para o controle de poluição com redução da pegada de carbono. Como lida com decomposição e destinação final de resíduos, impede a poluição da água, do ar e degradação do meio ambiente, se caracterizando por ser uma tecnologia verde.

[0017] O silo de armazenagem (1) tem capacidade conforme a produtividade que será o reator e fluxo logístico de abastecimento de resíduos. Na saída do mesmo é opcional a instalação de um rasgador de embalagens para o caso de resíduos embalados em grandes volumes. O sistema de elevação e transporte (2), pode ser do tipo esteira transportadora, taliscas, elevador de canecas ou transportador helicoidal. O resíduo é inicialmente enclausurado no silo pulmão intermediário (3) e selado hermeticamente. Após o enchimento do mesmo, é aberto a parte inferior para que o material adentre o topo do reator (4), neste momento os equipamentos anteriores são desativados até que se volte a selar o silo pulmão na parte inferior. Os resíduos dentro do reator ficam recebendo todo o fluxo ascendente de gases formados no processo para que seja desumidificado neste terceiro estágio (Ss) do reator, após determinado tempo de desidratação o resíduo começa a ser despejado em cadenciamento para a parte inferior do reator, onde ainda em queda, sofrerá reações de devolatilização em suspensão, promovida pelo movimento de redemoinho (swirl), oriundo da alta turbulência da câmara de reação. O vortex formado pela combinação de agente oxidante e partículas de resíduos faz a decomposição termoquímica, liberando gases, vapores, carvão e cinzas. Essa combinação de produtos formados, é elutriado para o topo do reator e conduzidos a um conjunto de ciclones para separação dos particulados. A tiragem do método é controlada através de um exaustor centrífugo instalado a jusante dos ciclones, no mesmo equipamento é separado por força centrífuga os óleos produzidos.

[0018] Todo o material separado nos ciclones e no exaustor centrífugo retorna ao leito do reator para contribuir com a oferta de energia de ativação, dessa forma o óleo é craqueado e o carvão e cinzas são novamente oxidados. A cinza resultante deste processo cíclico é acumulada no fundo do reator. Há um extrator de cinzas de fundo (10) que retira as mesmas e deposita em um silo de cinzas (11) para posteriormente ser destinado a adubação orgânica ou outra destinação final mediante caracterização apropriada. O gás produto é conduzido a um sistema de resfriamento (6), onde sofre redução rápida da ordem de 200 a 250°C. A energia liberada no resfriamento deste gás produto é direcionada para aquecimento do agente oxidante do sistema antes de entrar o reator, através de um trocador de calor (6), todo conjunto de dutos pode receber isolamento térmico ou não, dependendo da avaliação dos combustíveis produzidos.

[0019] O reator apresentado é um cilindro vertical de proporção diâmetro/altura na razão de 1:3,6. A alimentação da matéria-prima é feita pelo topo do mesmo e os agentes oxidantes pela parte inferior. A alimentação de matéria-prima, neste caso, mesmo que comparada aos atuais equipamentos que possuem alimentação superior, se difere ao criar uma câmara de secagem denominada de terceiro estágio, onde todo o fluxo de gases oriundos dos processos de oxidação e redução é direcionado a percolar através deste volume de controle, mantendo uma temperatura flutuante entre 300 a 450°C. O material a montante da válvula de dosagem (Ss do reator) fica então, condicionado e recebe todo o fluxo dos gases quentes vindos da base do reator, dessa forma, inicia-se a primeira etapa do processo termoquímico, compreendido pela desumidificação do material. A separação deste volume de controle do segundo estágio do reator se dá através de uma grelha superior e a dosagem de alimentação para o núcleo do reator é feito através de uma válvula de controle rotativa, com o tempo de residência do material neste volume de controle variando entre 10 e 15 minutos a depender da umidade de entrada do produto. A matéria-prima desidratada é direcionada ao fundo do reator pela ação da gravidade em movimento descendente. A válvula rotativa é acionada por motorredutor e controlada por inversor de frequência, conectados a painel de controle do reator, essa maneira de dosagem se faz necessária para promover a conversão completa do carbono nos estágios inferiores do reator e evita o acumulo exagerado de material.

[0020] Para a realização do método termoquímico proposto se emprega um silo de armazenagem de resíduos (1), solidário a um sistema de elevação (2) e transporte, dotado de balança e separador magnético para metais, que entrega estes resíduos para um silo pulmão intermediário desidratador (3) que é selado hermeticamente e está posicionado na parte superior do reator (4) de alta turbulência, sendo que o resíduo passa do desidratador para o reator (4) de câmara de alta turbulência, reator este dotado de câmara de combustão para ativação (9) posicionada na parte inferior do dito reator, de onde se projeta um extrator de cinzas (10) que demanda estas cinzas para um depósito (11), sendo que o método conta com um ciclone de separação (5) cooperante com o dito reator (4) e solidário ao resfriador de gases (6) por meio de um exaustor centrífugo (12), sendo ditos gases demandados para a atmosfera passando por um queimador (8), sendo que um ventilador centrífugo (7) entrega ar para o reator (4) pela parte inferior.

[0021] O reator de três estágios compreende a seção inferior da coluna (Si) de reação termoquímica, dotada de corpo inferior do reator, extrator de cinzas de fundo (10), bicos injetores tangenciais de agente oxidante, dispostos a 45° e pés estruturais para sustentação do reator e queimador (GLP, GN ou biogás); uma seção intermediária (Sm) da coluna de reação termoquímica, dotada de corpo intermediário do reator, oito bicos injetores tangenciais de agente oxidante e injetor de recirculação de sólidos e líquidos separados no sistema supracitado e uma seção superior (Ss) da coluna de reação termoquímica, dotada de: corpo superior do reator, válvula rotativa de controle de alimentação da matéria prima, grelha superior delimitador do terceiro estágio de reação, silo pulmão (3) de matéria prima in natura, válvulas de controle do silo pulmão e uma saída.

[0022] O agente oxidante entra na câmara de reação no primeiro e no segundo estágio. O primeiro estágio é definido pelo terço mais inferior da coluna de reação, onde, ocorrem reações de oxidação na forma:

[0023] Como o processo de conversão termoquímica necessita de uma energia térmica para ativação, esta será fornecida através da combustão de gás liquefeito, gás natural ou biogás, essa energia é fornecida até que o processo se mantenha autossustentável na faixa de temperatura adequada ao combustível final desejado, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. As reações de oxidação do primeiro estágio do reator são exotérmicas e liberam energia de ativação necessária para manter o restante do processo dentro do reator.

[0024] As temperaturas e pressões internas do reator são monitoradas on-line por um sistema de aquisição de dados conectado a termopares distribuídos ao longo da altura da coluna de reação.

[0025] Durante este percurso sofrerá um choque com o agente oxidante ascendente e em alta temperatura e turbulência, o que promove rápida volatilização. A liberação dos voláteis do resíduo em contato com o agente oxidante a alta temperatura promove combustão parcial destes, liberando assim a energia necessária para o auto sustento do processo termoquímico. Esta região de combustão está posicionada na parte mais inferior da câmara ou reator (Si). Logo acima desta região, se promove, após a volatilização a liquefação das partículas já volatizadas, alcatrões e vapores (Sm do reator). Esses vapores e alcatrões percorrem um trajeto ascendente e em vórtex dentro da câmara, promovidos pela injeção do agente oxidante e a tiragem balanceada no processo. Parte destes alcatrões reage com o agente oxidante, sendo craqueado em hidrocarbonetos leves, gás hidrogênio, monóxido de carbono, gás carbônico, azoto e oxigênio. A taxa de reação é dependente da temperatura de operação que ocorre imediatamente acima da zona de combustão, que é determinada conforme o estado do combustível desejado, como já citado. O método para decomposição termoquímica de resíduos, possui câmara ou reator de alta turbulência, com número de Reynolds acima de 350.000. Esta alta turbulência promove a aceleração da decomposição do resíduo em suspensão, durante o movimento de turbulência (swirl) que se ocasiona. A velocidade de injeção do agente oxidante dentro da câmara é de 16m/s no mínimo, através de injetores tangenciais espaçados em 45° e dispostos radialmente no estágio inferior da câmara ou reator (Si), com temperatura acima dos 400° C, definindo, desta forma, o segundo estágio da reação.

[0026] O produto resultante do processo de decomposição é uma mescla dos combustíveis nos três estados físicos da matéria. A separação ocorre primeiramente através de ciclones (5) para retenção de particulados sólidos que são reconduzidos ao leito da câmara. Os vapores condensáveis e alcatrões são separados por um separador centrífugo (12) e também retornam ao reator, onde são injetados no reator na altura do segundo estágio da coluna. Após esse processo e o gás é resfriado no trocador de calor (6) para uso em combustão direta, seja em caldeiras a vapor, fornos industriais ou motores de combustão interna ou turbinas a gás. O invento produz então energia química, para que seja convertido em energia térmica de uso geral, podendo ser em um secador de processos, forno de aquecimento, fornalhas de caldeiras, podendo ser como single-fuel ou em co-firing, ou ainda em motores de combustão interna e turbinas a gás. Tem-se assim o destino óbvio para geração de energia elétrica, através da conversão termoquímica desses resíduos, ao acionar grupos motogeradores e plantas termelétricas a gás ou bi-fuel.

Claims (10)

1- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS E OBTENÇÃO DE COMBUSTÍVEIS EM REATOR DE TRÊS ESTÁGIOS, CÂMARA DE ALTA TURBULÊNCIA E MÉTODO, caracterizado pelo fato de que compreender as etapas de: a) - introduzir uma matéria-prima carbonácea sólida ou líquida pelo topo do reator (4) dentro do terceiro estágio (Ss) de reação para que ocorra processo de desidratação; b) - oxidar parcialmente as matérias-primas desidratadas na seção inferior do reator para liberação de energia de ativação dos processos subsequentes, o agente oxidante é injetado por bicos tangenciais espaçados em 45° cada, gerando a alta turbulência necessária e temperatura acima de 400° C, definindo dessa forma o primeiro estágio de reação (Si); c) - oxidar os voláteis e alcatrões desprendidos no primeiro estágio para que ocorra a formação de gás produto, o agente oxidante é injetado por bicos tangenciais espaçados em 45° cada, gerando a alta turbulência necessária e temperatura acima de 400° C, definindo dessa forma o segundo estágio de reação (Sm); d) - passar o referido gás de síntese para a etapa superior do reator (a) e posteriormente conduzir a um separador de partículas e condensáveis combinado por um exaustor centrífugo (12) e um separador ciclônico (5); e) - resfriamento do gás de síntese produzido em um trocador de calor (6) que recuperará a energia térmica do gás de síntese para aquecimento do agente oxidante do processo.

2- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, de acordo com a reivindicação 1 e caracterizado pelo fato de introduzir agente oxidante em temperatura acima dos 400° C no primeiro (Si) e no segundo estágio (Sm) de maneira simultânea.

3- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, de acordo com a reivindicação 1 e caracterizado pelo fato de introduzir agente oxidante em temperatura acima de 400° C no primeiro (Si) e no segundo estágio (Sm), sendo de maneira contínua no primeiro estágio (Si) e podendo ser intermitente no segundo estágio (Sm).

4- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, de acordo com a reivindicação 1 e caracterizado pelo fato de introduzir agente oxidante em temperatura acima de 400° C no primeiro (Si) e no segundo estágio (Sm) de maneira que se forme um movimento rotacional de alta turbulência dentro da coluna de reação.

5- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, de acordo com a reivindicação 1 e caracterizado pelo fato de introduzir agente oxidante em temperatura acima de 400° C no primeiro (Si) e no segundo estágio (Sm), também vapor de água e particulados separados no sistema.

6- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, de acordo com a reivindicação 1 e caracterizado pelo fato de a quantidade de umidade aceita na matéria-prima in natura é de até 65% de umidade.

7- MÉTODO TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, de acordo com a reivindicação 1 e caracterizado pelo fato de a matéria-prima in natura compreender resíduos sólidos urbanos (RSU), resíduos industriais, resíduos hospitalares, resíduos agrícolas, resíduos vegetais.

8- SISTEMA TERMOQUÍMICO PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS, caracterizado por empregar um silo de armazenagem de resíduos (1), solidário a um sistema de elevação (2) e transporte, dotado de balança e separador magnético para metais, que entrega estes resíduos para um silo pulmão intermediário desidratador (3) que é selado hermeticamente e está posicionado na parte superior do reator (4) de alta turbulência, sendo que o resíduo passa do desidratador (Ss) para o reator (4) partes (Si e Sm) de câmara de alta turbulência, reator este dotado de câmara de combustão para ativação (9) posicionada na parte inferior do dito reator, de onde se projeta um extrator de cinzas (10) que demanda estas cinzas para um depósito (11), sendo que o sistema conta com um ciclone de separação (5) cooperante com o dito reator (4) e solidário ao resfriador de gases (6) por meio de um exaustor centrífugo (12), sendo ditos gases demandados para a atmosfera passando por um queimador (8), sendo que um ventilador centrífugo (7) entrega ar para o reator (4) pela parte inferior (Si).

9- REATOR DE TRÊS ESTÁGIOS, caracterizado por: a) - compreender a seção inferior da coluna (Si) de reação termoquímica, dotada de corpo inferior do reator, extrator de cinzas de fundo (10), bicos injetores tangenciais de agente oxidante, dispostos a 45° e pés estruturais para sustentação do reator e queimador (GLP, GN ou biogás); b) - seção intermediária (Sm) da coluna de reação termoquímica, dotada de corpo intermediário do reator, oito bicos injetores tangenciais de agente oxidante e injetor de recirculação de sólidos e líquidos separados no sistema supracitado; e c) - seção superior (Ss) da coluna de reação termoquímica, dotada de: corpo superior do reator, válvula rotativa de controle de alimentação da matéria prima, grelha superior delimitador do terceiro estágio de reação, silo pulmão (3) de matéria prima in natura, válvulas de controle do silo pulmão e uma saída.

10- REATOR DE TRÊS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o reator possui termopares de monitoramento da temperatura ao longo do eixo vertical da coluna de reação e em lados opostos da coluna e transdutores de pressão.

Images