BR102021012273A2

BR102021012273A2 - REACTOR FOR ENERGY GENERATION BY BIOMASS

Info

Publication number: BR102021012273A2
Application number: BR102021012273-0A
Authority: BR
Inventors: Paulo Roberto Da Costa; Sergio De Godoy Campos
Original assignee: Paulo Roberto Da Costa; Sergio De Godoy Campos
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2023-01-03

Abstract

A presente invenção de um trata de um reator para geração de energia térmica pela utilização de diferentes tipos de biomassa. No seu interior é produzido um gás combustível que pode ser utilizado tanto como fonte de calor, como para a alimentação de motores de combustão interna. Esse conceito é conhecido na literatura como downdraft gasifier. É utilizado em grandes países Índia e China, onde a rede elétrica não cobre todas as suas extinções. No Brasil, ainda não é utilizado comercialmente. Em geral esses reatores trabalham com temperaturas baixas, entre 500 e 750 graus Célsius, implicando na formação do alcatrão e possuem baixo rendimento. Com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a solução com a implementação de um trocador de calor na parte interna do reator; implementação um dispositivo de vibração para possibilitar evitar “pontes” que consiste na falta de biomassa na região da queima; implementação de novos materiais para suportar altas temperaturas nos pontos críticos e a modificação dos parâmetros de operação, como pressão, vazão e temperatura do reator.

The present invention deals with a reactor for generating thermal energy by using different types of biomass. A combustible gas is produced inside, which can be used both as a source of heat and to power internal combustion engines. This concept is known in the literature as downdraft gasifier. It is used in large countries India and China, where the electrical network does not cover all its extinctions. In Brazil, it is still not used commercially. In general, these reactors work at low temperatures, between 500 and 750 degrees Celsius, resulting in the formation of tar and have low yield. In order to solve such problems, a solution was developed with the implementation of a heat exchanger inside the reactor; implementation of a vibration device to make it possible to avoid “bridges” consisting of the lack of biomass in the burning region; implementation of new materials to withstand high temperatures at critical points and the modification of operating parameters, such as pressure, flow and temperature of the reactor.

Description

REACTOR FOR ENERGY GENERATION BY BIOMASS

TECHNICAL FIELD

1 - A presente invenção trata de um reator, para geração de energia térmica pela utilização de diferentes tipos de biomassas. No seu interior é produzido um gás em alta temperatura, que pode ser utilizado tanto diretamente como fonte de calor, queimado em queimadores ou como combustível na alimentação de motores de combustão interna. Os motores de combustão interna, tanto podem fornecer energia mecânica para uso geral, como fornecer eletricidade, se acoplado a um gerador. O reator convencional de biomassa é constituído dos seguintes elementos, um cilíndrico vertical, em cuja parte superior fica armazenado a biomassa, um ciclone, que tem o formado de cilindro na parte superior e cone na parte inferior, uma serpentina tubular, um filtro que também tem o formato de um cilindro vertical e um ventilador. Trata-se de um tipo de equipamento que foi largamente utilizado na época da segunda guerra mundial, tanto na Europa como nos Estados Unidos. Esse conceito é conhecido na literatura como downdraft gasifier. O invento incorpora modificações pela adição de novos elementos como: um trocador de calor na parte interna do reator; um sistema de vibração no corpo do reator; materiais resistentes a altas temperaturas e a modificação dos parâmetros de operação do reator como pressão, vazão e temperatura.1 - The present invention deals with a reactor for generating thermal energy by using different types of biomass. A high temperature gas is produced inside, which can be used either directly as a source of heat, burned in burners or as fuel in feeding internal combustion engines. Internal combustion engines can either provide mechanical energy for general use or provide electricity if coupled to a generator. The conventional biomass reactor is made up of the following elements, a vertical cylindrical one, in the upper part of which the biomass is stored, a cyclone, which is shaped like a cylinder at the top and a cone at the bottom, a tubular coil, a filter that also it is shaped like a vertical cylinder and a fan. This is a type of equipment that was widely used during the Second World War, both in Europe and in the United States. This concept is known in the literature as downdraft gasifier. The invention incorporates modifications by adding new elements such as: a heat exchanger inside the reactor; a vibration system in the reactor body; materials resistant to high temperatures and the modification of reactor operating parameters such as pressure, flow and temperature.

STATE OF ART

2- Atualmente são pequenos o número desses reatores convencionais em operação mundo afora. Novas formas de combustível para motores como gasolina, diesel, etanol e GNV surgiram e suplantaram o uso desses reatores (geradores de biogás) nos países mais desenvolvidos. Em países de grandes dimensões como Índia e China, onde a rede elétrica não cobre todas as suas extensões, assim como países menores, subdesenvolvidas, existem alguns reatores de biogás, para a produção de energia elétrica e fornecimento de calor. No Brasil, ainda não são utilizados comercialmente, porém, por sua grande extensão geográfica, vislumbra-se a possibilidade do uso vantajoso desse tipo de equipamento, com ênfase nas regiões isoladas e sem eletricidade.2- Currently, the number of these conventional reactors in operation around the world is small. New forms of fuel for motors such as gasoline, diesel, ethanol and CNG have emerged and supplanted the use of these reactors (biogas generators) in more developed countries. In large countries such as India and China, where the electrical grid does not cover all of its extensions, as well as smaller, underdeveloped countries, there are some biogas reactors for the production of electricity and heat supply. In Brazil, they are not yet used commercially, however, due to their great geographical extension, the possibility of advantageous use of this type of equipment is envisaged, with emphasis on isolated regions and without electricity.

3- Em consulta aos escritórios americano (USPTO) e Europeu (EPO), não foram encontradas publicações e/ou documentos de patentes que contenham: A - um trocador de calor interno em forma de serpentina montado entre duas paredes do reator, para aquecimento do ar a ser alimentado na combustão. Esse recurso evita o roubo de calor da região de combustão, pelo aproveitamento da alta temperatura de saída do gás produzido. B - sistema de vibração no corpo do reator para evitar a falta de material na zona de combustão (ocorrência de bridges); C - materiais resistentes a altas temperaturas com elevados pontos de fusão (até 1400 graus Célsius na região da queima); D - modificação (elevação) dos parâmetros usuais de operação do reator como pressão, vazão e temperatura.3- In consultation with the American (USPTO) and European (EPO) offices, no publications and/or patent documents were found that contain: A - an internal heat exchanger in the form of a serpentine mounted between two walls of the reactor, for heating the air to be fed into combustion. This feature prevents the theft of heat from the combustion region, by taking advantage of the high outlet temperature of the produced gas. B - vibration system in the reactor body to avoid the lack of material in the combustion zone (occurrence of bridges); C - materials resistant to high temperatures with high melting points (up to 1400 degrees Celsius in the firing region); D - modification (elevation) of the usual reactor operating parameters such as pressure, flow and temperature.

4- O documento US 20020134019A1, “BIOMASS GASIFICATION SYSTEM AND METHOD”, trata de um sistema reduzir a aglomeração de cinzas através da adição do componente químico Óxido de Magnésio (MgO) na biomassa pela câmara de combustão.4- The document US 20020134019A1, “BIOMASS GASIFICATION SYSTEM AND METHOD”, deals with a system to reduce ash agglomeration through the addition of the chemical component Magnesium Oxide (MgO) in the biomass through the combustion chamber.

5- Como poderá ser observada, a configuração do equipamento, conforme descrito, difere do objeto do presente pedido, tanto configuração apresentada, assim como em sua funcionalidade, já que o mesmo possuí melhorias funcionais.5- As can be seen, the configuration of the equipment, as described, differs from the object of this application, both in the configuration presented, as well as in its functionality, since it has functional improvements.

6- O documento WO 2013085635A1, “BIOMASS GASIFICATION SYSTEMS HAVING CONTROLLABLE FLUID INJECTORS”,trata de um sistema de controle para o suprimento de ar ou oxigênio na câmara de combustão, de forma independente em cada bico de ar.6- Document WO 2013085635A1, “BIOMASS GASIFICATION SYSTEMS HAVING CONTROLLABLE FLUID INJECTORS”, deals with a control system for the supply of air or oxygen in the combustion chamber, independently in each air nozzle.

7- Da mesma forma que no anterior, o objeto acima citado, também difere daquele apresentado no presente pedido de patente.7- In the same way as in the previous one, the object cited above also differs from that presented in the present patent application.

8- O documento US 5226927A, “GASIFICADOR PARA MADEIRAS”, em que na primeira reivindicação, ou seja, na reivindicação 1 (c) trata do sistema de alimentação de oxigênio molecular nos bicos, a partir de uma fonte externa, e injeta o oxigênio na câmara de combustão, sem aproveitamento do calor contido no gás gerado.8- Document US 5226927A, "GASIFIER FOR WOOD", in which the first claim, that is, claim 1 (c) deals with the molecular oxygen feeding system in the nozzles, from an external source, and injects the oxygen in the combustion chamber, without using the heat contained in the generated gas.

9- A configuração apresentada e a sua funcionalidade, conforme descrita no documento acima citado, também difere do objeto da presente invenção.9- The presented configuration and its functionality, as described in the aforementioned document, also differs from the object of the present invention.

10- O documento US 4583992A, “GASIFICADOR DE BIOMASSA E PRODUÇÃO DE CARVÃO”, trata do conceito do arranjo das partes estruturais de um gaseificador. Faz menção à insuflação do ar nos bicos para a queima da biomassa, também sem fazer menção quanto ao aproveitamento do calor contido no gás gerado.10- The document US 4583992A, “BIOMASS GASIFICATOR AND COAL PRODUCTION”, deals with the concept of arrangement of the structural parts of a gasifier. It mentions the insufflation of air in the nozzles for burning the biomass, also without mentioning the use of the heat contained in the generated gas.

11- Conforme poderá ser observado, esse equipamento também possui diferenças, quanto à matéria descrita e objeto do presente pedido de patente, no que se refere a sua configuração e a sua funcionalidade.11- As can be seen, this equipment also has differences, in terms of the matter described and the object of this patent application, with regard to its configuration and functionality.

12- Os principais problemas dos reatores convencionais são:12- The main problems of conventional reactors are:

13- Formação de alcatrão, que ocorre pelo fato de trabalharem em baixas temperaturas (entre 500 e 750 graus Célsius), dificilmente ultrapassando essa faixa por aproximação ao ponto de fusão dos materiais na região da queima. Essa classe de temperatura implica em baixo rendimento da instalação e à formação do alcatrão. É sabido que o alcatrão causa entupimentos nas tubulações e válvulas do reator, assim como danifica os motores de combustão interna, quando o gás produzido é utilizado para esse fim. Além de ser uma substância tóxica o alcatrão é extremamente prejudicial à saúde e ao meio ambiente. Nesses reatores o alcatrão precisa ser filtrado, acarretando a necessidade de manutenção periódica, para a sua remoção e destinação correta como produto de rejeito. Isso inevitavelmente leva ao aumento dos custos de mão de obra durante a operação do reator. Nesses reatores (convencionais), o ar geralmente é suprido na temperatura ambiente (frio) na região de combustão, roubando calor durante a queima. Isso impede a elevação da temperatura para patamares que reduzem drasticamente a formação do alcatrão;13- Formation of tar, which occurs due to the fact that they work at low temperatures (between 500 and 750 degrees Celsius), rarely exceeding this range by approaching the melting point of the materials in the burning region. This temperature class implies low performance of the installation and the formation of tar. It is known that tar causes blockages in reactor pipes and valves, as well as damages internal combustion engines, when the gas produced is used for this purpose. In addition to being a toxic substance, tar is extremely harmful to health and the environment. In these reactors, the tar needs to be filtered, resulting in the need for periodic maintenance, for its removal and correct destination as a waste product. This inevitably leads to increased labor costs during reactor operation. In these (conventional) reactors, air is generally supplied at room temperature (cold) in the combustion region, stealing heat during burning. This prevents the temperature from rising to levels that drastically reduce tar formation;

14- Formação de “pontes” durante a queima, devido ao fator natural de empacotamento, a biomassa fica presa nas paredes internas e não desce para ser queimada, deixando um vazio na região de combustão, conhecido na literatura como “bridge”;14- Formation of “bridges” during burning, due to the natural packing factor, the biomass is trapped in the internal walls and does not go down to be burned, leaving a void in the combustion region, known in the literature as “bridge”;

15- Outro motivo, da época, que obrigava a se manter a temperatura de operação baixa, estava relacionado ao ponto de fusão dos materiais utilizados nas regiões críticas do reator.15- Another reason, at the time, that forced to keep the operating temperature low, was related to the melting point of the materials used in the critical regions of the reactor.

16- Com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a presente invenção, cujas inovações consistem no seguinte: desenvolvimento e implementação de um trocador de calor na parte interna do reator visando o aumento da temperatura do ar de alimentação da combustão; implementação de um sistema de vibração no corpo do reator para se evitar a formação de briges; implementação de novos materiais para suportar as altas temperaturas nos pontos críticos e modificação dos parâmetros de operação do reator como pressão, vazão e temperatura.16- In order to solve such problems, the present invention was developed, whose innovations consist of the following: development and implementation of a heat exchanger inside the reactor aiming at increasing the temperature of the combustion feed air; implementation of a vibration system in the reactor body to avoid the formation of briges; implementation of new materials to withstand high temperatures at critical points and modification of reactor operating parameters such as pressure, flow and temperature.

SUMMARY OF THE INVENTION

17- O presente invento incorpora modificações em um reator do tipo convencional contendo corpo principal, um ciclone, uma serpentina tubular, um filtro e um ventilador, pela adição de novos elementos como: um trocador de calor na parte interna do reator; um sistema de vibração no corpo do reator; materiais resistentes a altas temperaturas e a modificação dos parâmetros de operação do reator como pressão, vazão e temperatura.17- The present invention incorporates modifications in a conventional type reactor containing the main body, a cyclone, a tubular coil, a filter and a fan, by adding new elements such as: a heat exchanger inside the reactor; a vibration system in the reactor body; materials resistant to high temperatures and the modification of reactor operating parameters such as pressure, flow and temperature.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

18- A presente invenção descreve um reator, para geração de energia térmica pela utilização de diferentes tipos de biomassas, no que possui como melhoria funcional os seguintes itens:18- The present invention describes a reactor for the generation of thermal energy by using different types of biomass, which has the following items as a functional improvement:

19- A - Um trocador de calor internamente, visando o aumento de rendimento, contribuindo também para a elevação da temperatura de operação. Esse acessório é composto por uma serpentina tubular de cobre, enrolada entre duas paredes internas do corpo principal. A serpentina com 620 milímetros de diâmetro médio conduz o oxigênio do ar para a região de combustão, onde é máxima a temperatura de saída do gás produzido. O aumento da eficiência do reator, no presente invento, ocorre devido ao aproveitamento dessa temperatura, que é utilizada para o aquecimento do oxigênio do ar a ser insuflado de forma controlada, na região de combustão. Isso faz com que a temperatura nessa região seja alta o suficiente para se evitar a formação indesejada de alcatrão. A instalação do trocador de calor internamente, se dá na forma de fluxo cruzado, para garantia de um aumento constante no gradiente da temperatura do ar a ser insuflado na região da combustão da biomassa. Isso ocorre diferentemente dos reatores convencionais, onde a temperatura, para o aquecimento do ar é retirada da própria zona de combustão, através de um anel tubular toroidal (semelhante a uma câmara de ar de automóvel) que é solidário à região da combustão e a envolve no plano horizontal. Esse anel recebe o ar internamente através de um ventilador posicionado externamente ao corpo do reator. Assim o ar atmosférico ao preencher e passar pelo interior do anel, rouba calor da própria combustão, e atinge a queima através de cinco bicos distribuidores.19- A - An internal heat exchanger, aiming to increase the efficiency, also contributing to the increase of the operating temperature. This accessory is composed of a tubular copper serpentine, wound between two internal walls of the main body. The coil with an average diameter of 620 millimeters conducts oxygen from the air to the combustion region, where the output temperature of the produced gas is at its maximum. The increase in reactor efficiency, in the present invention, occurs due to the use of this temperature, which is used to heat the oxygen in the air to be insufflated in a controlled manner, in the combustion region. This causes the temperature in this region to be high enough to prevent unwanted tar formation. The installation of the heat exchanger internally takes place in the form of a cross flow, to guarantee a constant increase in the temperature gradient of the air to be blown into the biomass combustion region. This is different from conventional reactors, where the temperature for heating the air is removed from the combustion zone itself, through a toroidal tubular ring (similar to an automobile air chamber) that is connected to the combustion region and surrounds it. in the horizontal plane. This ring receives air internally through a fan positioned externally to the reactor body. So the atmospheric air, when filling and passing through the inside of the ring, steals heat from the combustion itself, and reaches the burning through five distributor nozzles.

20- B - Um sistema de vibração que consiste na implementação de um dispositivo, na parte inferior do reator, que emite certa frequência de vibração, impedindo a formação de pontes na biomassa, no interior do reservatório. Esse sistema é controlado por um CLP (Controlador Lógico Programável), para acionamento em intervalos programados.20- B - A vibration system consisting of the implementation of a device, at the bottom of the reactor, which emits a certain frequency of vibration, preventing the formation of bridges in the biomass, inside the reservoir. This system is controlled by a PLC (Programmable Logic Controller), for activation at programmed intervals.

21- C - Incorporação de diferentes materiais devido às elevadas temperaturas requeridas no novo processo, para a produção de gás. Nos reatores convencionais, as elevadas temperaturas levariam à fusão dos materiais até então utilizados, nos componentes próximos da região da combustão. O gás produzido nesse novo processo é praticamente livre de alcatrão. Os novos materiais empregados, com excelentes resultados, foram a cerâmica sinterizada, monel, inconel e aços liga contendo cromo e tungstênio. A substituição dos componentes críticos por materiais com elevados pontos de fusão, permite ao reator operar numa faixa de altas temperaturas, em que propicia a produção de gás limpo e praticamente livre de alcatrão.21- C - Incorporation of different materials due to the high temperatures required in the new process for gas production. In conventional reactors, the high temperatures would lead to the melting of the materials used until then, in the components close to the combustion region. The gas produced in this new process is virtually tar free. The new materials used, with excellent results, were sintered ceramics, monel, inconel and alloy steels containing chromium and tungsten. The replacement of critical components by materials with high melting points, allows the reactor to operate in a range of high temperatures, in which it favors the production of clean gas, practically free of tar.

22- D - A modificação dos parâmetros de operação se fez necessária, por ocorrer à combustão da biomassa durante a operação do reator em elevadas temperaturas, no que exige um aumento significativo na vazão de ar, na região de combustão, com consequente aumento na pressão interna. Assim, para a obtenção de um gás com a qualidade que atenda à utilização em motores de combustão interna (praticamente livre de alcatrão), novos parâmetros foram definidos para a operação contínua do reator.22- D - The modification of the operating parameters was necessary, as the combustion of biomass occurs during the operation of the reactor at high temperatures, which requires a significant increase in the air flow in the combustion region, with a consequent increase in pressure internal. Thus, in order to obtain a gas with the quality required for use in internal combustion engines (practically tar free), new parameters were defined for the continuous operation of the reactor.

OPERATING MODE

23- Uma vez incorporadas às modificações conforme acima descritas, o reator funciona conforme a seguir:23- Once incorporated to the modifications as described above, the reactor works as follows:

24- A biomassa que alimenta o reator pode ser sobras de madeiras cortadas em forma de cubos medindo 70 cm x 70 cm aproximadamente ou briquetes formados a partir da prensagem de materiais como: serragem de madeira (pó de serra), palhas, caroços de açaí e cascas de cereais prensados. Essa biomassa compactada e com comprimento definido, é depositada no interior do corpo principal do reator pela escotilha existente na parte superior. Essa escotilha possui uma tampa com mola no centro, o que compõe um sistema de fechamento que atua como válvula de alívio, para o eventual caso de ocorrência de sobre pressão ou pequenas explosões.24- The biomass that feeds the reactor can be leftover wood cut in the form of cubes measuring approximately 70 cm x 70 cm or briquettes formed from the pressing of materials such as: wood sawdust (sawdust), straw, acai seeds and pressed cereal husks. This compacted biomass, with a defined length, is deposited inside the main body of the reactor through the hatch in the upper part. This hatch has a lid with a spring in the center, which makes up a closing system that acts as a relief valve, in the event of overpressure or small explosions.

25- Depois de adicionada a biomassa, o reator é aceso. Uma ventoinha auxiliar insufla oxigênio do ar, para início da combustão. Depois de 2 a 4 minutos liga-se o sistema de ventilação forçada. Esse sistema é controlado por um CLP (Controlador Lógico Programável), para a manutenção da vazão de ar, visando manter a temperatura do reator na faixa desejada. O sistema de ventilação pode ser uma turbina centrífuga ou um compressor de ar com capacidade de deslocamento da ordem de 30 PCM (pés cúbicos por minuto). Passado de 15 a 25 minutos depende do teor de umidade da biomassa, o gás começa a ser liberado. No início do percurso, ao deixar o corpo do reator, o gás passa pelo ciclone para retenção das partículas mais pesadas de cinza. Inicialmente o gás é incinerado em um queimador externo, antes de passar pelo sistema de filtragem. Quando a temperatura na zona de combustão atinge valores condizentes com a composição estequiométrica adequada, o gás é desviado do queimador para percorrer o circuito do reator. Ao passar pela serpentina tubular, o gás se resfria perdendo 70%, aproximadamente do calor para o meio ambiente. Em seguida o gás passa pelo interior do sistema de filtragem para a remoção das partículas menores de dimensões até 3 micra. Nesse estágio o gás se encontra com elevado grau de pureza e atende às especificações para abastecer motores de combustão interna, proporcionando a mesma vida útil dos motores, compatível com aqueles que funcionam com gasolina ou diesel.25- After adding the biomass, the reactor is lit. An auxiliary fan draws oxygen from the air to start combustion. After 2 to 4 minutes, the forced ventilation system is turned on. This system is controlled by a PLC (Programmable Logic Controller) to maintain the air flow, in order to maintain the reactor temperature within the desired range. The ventilation system can be a centrifugal turbine or an air compressor with displacement capacity of the order of 30 PCM (cubic feet per minute). After 15 to 25 minutes, depending on the moisture content of the biomass, the gas begins to be released. At the beginning of the route, when leaving the reactor body, the gas passes through the cyclone to retain the heaviest ash particles. Initially, the gas is incinerated in an external burner, before passing through the filtering system. When the temperature in the combustion zone reaches values consistent with the proper stoichiometric composition, the gas is diverted from the burner to travel through the reactor circuit. When passing through the tubular coil, the gas cools down, losing approximately 70% of the heat to the environment. Then the gas passes through the filtering system to remove smaller particles of sizes up to 3 microns. At this stage, the gas has a high degree of purity and meets the specifications for fueling internal combustion engines, providing the same useful life as the engines, compatible with those that run on gasoline or diesel.

26- Considerando uma eventual queda na temperatura de funcionamento do reator, parte do alcatrão formado, poderá ser removido através de bujões roscados existentes, tanto na parte inferior do ciclone, como no reservatório existente na base da serpentina tubular.26- Considering a possible drop in the operating temperature of the reactor, part of the tar formed can be removed through existing threaded plugs, both in the lower part of the cyclone and in the existing reservoir at the base of the tubular coil.

27- O sistema de filtragem consiste em um cilindro vertical externo ao reator, e é composto por dois estágios internamente. Isso corresponde a duas plataformas sobrepostas, em forma de bandejas, pelas quais passa água corrente. A plataforma inferior se situa a certa distância do fundo do reservatório. A plataforma superior se situa nessa mesma distância, em relação da primeira. O gás passa pela água (percolação), através perfurações existentes nas duas plataformas, que retêm as pequenas partículas de cinza existentes.27- The filtration system consists of a vertical cylinder external to the reactor, and is composed of two stages internally. This corresponds to two overlapping platforms, in the form of trays, through which running water passes. The lower platform is located some distance from the bottom of the reservoir. The upper platform is located at the same distance from the first. The gas passes through the water (percolation), through existing perforations on both platforms, which retain the existing small ash particles.

28- A inovação ora proposta poderá ser mais bem compreendida, através da descrição detalhada dos equipamentos e acessórios que compõem o reator de biomassa, juntamente com as respectivas figuras.28- The innovation now proposed can be better understood, through the detailed description of the equipment and accessories that make up the biomass reactor, together with the respective figures.

DESCRIPTION OF FIGURES

29- A Figura 01 mostra um esquema das principais partes do reator onde: (A) Corpo Principal onde recebe a biomassa e ocorre a combustão, (B) Ciclone onde ocorre a limpeza das maiores partículas do gás, (C) Serpentina Tubular onde ocorre a redução da temperatura do gás, (D) Filtro onde ocorre a limpeza das menores partículas do gás, (E) escotilha para a retirada de cinzas, (F) a ventoinha para o suprimento de ar, (G) Trocador de calo interno. A Figura 02 mostra a disposição do trocador de calor interno (serpentina com cinco tubos) em uma vista interna do reator.29- Figure 01 shows a diagram of the main parts of the reactor where: (A) Main Body where it receives the biomass and combustion takes place, (B) Cyclone where the cleaning of the largest gas particles takes place, (C) Tubular Coil where it takes place the reduction of the gas temperature, (D) Filter where the smallest particles of the gas are cleaned, (E) hatch for the removal of ash, (F) the fan for the air supply, (G) Internal heat exchanger. Figure 02 shows the arrangement of the internal heat exchanger (coil with five tubes) in an internal view of the reactor.

30- A disposição geométrica da tubulação que compõe a serpentina com cinco tubos, para a insuflação de ar aquecido na região de combustão do reator, é apresentada numa vista externa em 3D na Figura 03 e em 2D na Figura (4). Essa nova disposição geométrica, que consiste na colocação das serpentinas (trocador de calor interno) (G) mostrado na Figura (5). Esse trocador de calor interno se constitui na principal parte das inovações, do presente invento. São sobrepostas verticalmente, construídas com tubulações de cobre, enroladas no corpo principal do reator, até a altura de 500mm acima do nível da região de combustão. A quantidade das serpentinas enroladas são cinco. A extremidade inferior de cada serpentina é conectada a um dos cinco bicos (H) de suprimento de ar, mostrados na Figura (5). As extremidades superiores das cinco serpentinas são conectadas a um único manifolde (I), demonstrado também na Figura (5). Esse manifolde recebe o ar a partir de um sistema de ventilação externo (ventilador, turbina centrífuga ou compressor de ar), e o distribui para as cinco serpentinas, que por sua vez, alimentam a combustão com ar quente, através dos bicos, de forma homogênea.30- The geometric layout of the piping that makes up the serpentine with five tubes, for the insufflation of heated air in the reactor combustion region, is presented in an external view in 3D in Figure 03 and in 2D in Figure (4). This new geometric arrangement, which consists of placing the coils (internal heat exchanger) (G) shown in Figure (5). This internal heat exchanger constitutes the main part of the innovations of the present invention. They are vertically superimposed, built with copper pipes, wound around the main body of the reactor, up to a height of 500mm above the level of the combustion region. The number of coiled coils is five. The lower end of each coil is connected to one of the five air supply nozzles (H) shown in Figure (5). The upper ends of the five coils are connected to a single manifold (I), also shown in Figure (5). This manifold receives air from an external ventilation system (fan, centrifugal turbine or air compressor), and distributes it to the five coils, which, in turn, feed the combustion with hot air, through the nozzles, so homogeneous.

31- O Corpo Principal abastecido com a biomassa é onde ocorre a combustão para a produção do gás, cuja composição média para a madeira, em base seca, é: Nitrogênio N2 (50,2%), Hidrogênio H2 (18,8%), Monóxido de Carbono CO (19%), Dióxido de carbono CO2 (11%), Metano CH4 (0,8%), Oxigênio O2 (0,1) e outros hidrocarbonetos CnHn (0,1%). Como se observa essa composição é isenta dos compostos de alcatrão.31- The Main Body supplied with biomass is where combustion occurs to produce gas, whose average composition for wood, on a dry basis, is: Nitrogen N2 (50.2%), Hydrogen H2 (18.8%) , Carbon Monoxide CO (19%), Carbon Dioxide CO2 (11%), Methane CH4 (0.8%), Oxygen O2 (0.1%) and other CnHn hydrocarbons (0.1%). As can be seen, this composition is free of tar compounds.

32- As modificações implementadas no presente invento visam a priorizar o aumento do rendimento térmico e a eliminação do teor prejudicial do alcatrão. Essas modificações no reator de biomassa para o uso agrícola e em regiões remotas onde não há eletricidade possibilitam parâmetros de operação que visam a atender, sobretudo, o fornecimento de energia mecânica direta, para o acionamento de diferentes equipamentos como máquina de serrar madeira, máquina de briquetar, assim como a geração de eletricidade. Uma unidade desse conceito de reator, pode fornecer até 230 Nm3/h de gás, capaz de alimentar um gerador com potência de 70 kW. Pode também fornecer uma quantidade de energia térmica de até 365.000 kcal/h, como fonte de calor para a secagem ou torrefação de grãos da produção agrícola como café, pimenta, milho e castanhas, dentre outros.32- The modifications implemented in the present invention aim at prioritizing the increase in thermal performance and the elimination of harmful tar content. These modifications to the biomass reactor for agricultural use and in remote regions where there is no electricity make possible operating parameters that aim to meet, above all, the supply of direct mechanical energy, for activating different equipment such as wood sawing machines, briquettes, as well as electricity generation. A unit of this reactor concept can supply up to 230 Nm3/h of gas, capable of feeding a generator with a power of 70 kW. It can also provide a quantity of thermal energy of up to 365,000 kcal/h, as a heat source for drying or roasting agricultural production grains such as coffee, pepper, corn and nuts, among others.

32- Dentre as biomassas que podem ser utilizadas nesse conceito de reator, se destacam: sobras de madeira, pós de serra, cascas de café, palhas de pimenta, sabugos de milho, caroços de açaí dentre outras. Esse tipo de reator só deve trabalhar com biomassas em forma de cubos sólidos medindo 70 cm x 70 cm, aproximadamente, para se evitar a formação de excessos de cinzas. As demais biomassas como: pós de serra, cascas de café, palhas de pimenta, sabugos de milho, caroços de açaí e demais em granel, devem ser compactados por máquinas do tipo briquetadeiras (extrusoras) e cortadas para as dimensões acima citadas.32- Among the biomasses that can be used in this reactor concept, the following stand out: wood scraps, saw dust, coffee husks, pepper straws, corn cobs, açaí kernels, among others. This type of reactor should only work with biomass in the form of solid cubes measuring approximately 70 cm x 70 cm, to avoid the formation of excess ash. Other biomass such as: saw dust, coffee husks, pepper straws, corn cobs, açaí kernels and others in bulk, must be compacted by briquetting machines (extruders) and cut to the dimensions mentioned above.

Claims

REACTOR FOR ENERGY GENERATION BY BIOMASS characterized by installing a heat exchanger in the form of a serpentine, in the inner part of the reactor, between the two walls; Installation of a vibration system preventing the formation of bridges in the biomass during combustion; installation of new materials to withstand high temperatures in the reactor's combustion region; adequacy of new parameters for the operation of the reactor, such as pressure, flow and temperature.

REACTOR FOR ENERGY GENERATION BY BIOMASS according to claim 1, characterized by placing five copper coils, between two internal walls of the reactor, a manifold connecting all the coils at one end and a burner nozzle for each coil at the other end .

REACTOR FOR ENERGY GENERATION BY BIOMASS according to claim 1, characterized by installing a vibration system consisting of a device located at the bottom of the reactor, which emits a certain frequency of vibration, preventing the formation of “bridges” in the biomass during combustion.

REACTOR FOR POWER GENERATION BY BIOMASS according to claim 1, characterized by replacing the materials in the combustion region with sintered ceramics, Monel, Inconel and alloy steels, containing chromium and tugsten.

BIOMASS ENERGY GENERATION REACTOR according to claim 1, characterized by raising the usual range of operating parameters for this type of reactor, such as: temperature in the combustion zone, air insufflation flow and internal pressure of the reactor.