BR102021013295A2 - Processo e unidade produtiva para obtenção de carvão vegetal - Google Patents

Abstract

Trata-se de sequência de equipamentos que dão origem a novo processo para obtenção de carvão vegetal. Entre tais equipamentos há geradores de atmosfera associados a reatores ligados entre si que, durante as etapas de secagem e pirólise da matéria-prima bem como da carga de carvão resultante funcionam de maneira independente e alternada.
Assim, aproveitando com eficiência a energia liberada durante a fase exotérmica da pirólise, obtendo ainda acréscimo na recuperação mássica em relação à referida matéria-prima, sem lançar gases poluentes na atmosfera.

Description

PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL

001- A presente invenção apresenta tecnologia inovadora para a concentração de energia contida em biomassas, com ênfase na fabricação de carvão vegetal. Mais especificamente, trata-se de novidade referente a processo de produção de carvão vegetal onde não há queima da matéria-prima enfornada e cujas etapas principais da carbonização - secagem, pirólise e resfriamento - ocorrem separadamente, evitando sua sobreposição. Como resultado dessa técnica, logra-se obter elevados valores de recuperação mássica, também chamada de rendimento gravimétrico, que é a relação entre a massa de produto obtido sobre a massa de matéria-prima seca ou anidra utilizada. Tal ganho é obtido através de rendimento térmico substancialmente maior comparado aos processos conhecidos. Além desses benefícios, o processo reduz praticamente a zero todo lançamento de gases poluentes na atmosfera, condensáveis e não condensáveis. Os reatores que compõem a unidade de produção de carvão vegetal aqui apresentada podem operar isoladamente, o que permite utilizá-los em outros processos produtivos, tais como secagem de grãos, tratamentos térmicos e/ou resfriamento.

002- Na medida em que se expande o uso de uma fonte de energia, a distância geográfica entre o ponto de geração e o ponto de consumo cresce. Cria-se, portanto, a demanda da logística de transporte e de armazenamento.

003- O carvão vegetal é uma forma de concentrar e transportar a energia contida na lenha. Considerando um recipiente de cem litros, nele um homem pode transportar até 50 kg de lenha. Em termos de condução de energia, ele carrega, aproximadamente, 155.000 kcal. Ao carregar essa mesma massa de carvão vegetal - 50 kg - transportaria 400.000 kcal, ou seja, mais de duas vezes e meia ' em relação à energia transportada pela lenha. Para o transporte dessa maior quantidade de energia na forma de carvão, o recipiente, porém, deveria ter volume de duzentos e trinta litros. Essa é uma característica do carvão vegetal que fica nítida ao observar-se, hoje, que seu transporte tem ênfase no volume e não no peso, através de carretas com alta capacidade volumétrica transitando pelas estradas.

004- Tanto usinas siderúrgicas integradas de médio porte, como pequenos produtores de gusa, utilizam carvão vegetal como fonte de energia e agente redutor em seus processos produtivos, fatores diretamente relacionados e beneficiáveis pela presente novidade.

005- Grande diversidade de matérias-primas pode ser empregada na produção de carvão vegetal, destacando-se: madeira, palha, casca de coco, serragem, ossos, coco inteiro de babaçu, entre outras. Preferencialmente o carvão vegetal deve ser produzido a partir de madeira extraída de florestas cultivadas, principalmente de eucalipto. Por isso, ao descrever essa invenção dá-se mais ênfase a tal matéria-prima. O eucalipto recém cortado possui umidade por volta de 50% (base úmida - b.u.) Quando seca ao tempo, por 90 a 120 dias, a umidade se reduz a 35% (b.u.), ou pouco menos, sendo necessário cair abaixo de 10% (b.u.) para que seja possível dar continuidade à produção do carvão vegetal.

006- A fabricação de carvão vegetal, conhecida como carbonização, pode ser dividida em três fases principais: secagem, pirólise e resfriamento, sendo a pirólise a fase mais importante. A secagem é um pré-requisito para o início da pirólise, pois nela é retirada grande parte da umidade contida na lenha, basicamente sua seiva. Para isso, faz-se necessária uma demanda térmica que seja suficiente para a dessorção e vaporização dessa umidade. Portanto, o processo de fabricação de carvão vegetal só se inicia com suprimento energético.

007- Apesar dessa necessidade inicial de energia, ao considerar o balanço energético global da carbonização, há sobra desse insumo ao final do processo. As reações exotérmicas somadas ao calor latente e sensível contido nos gases gerados na pirólise têm energia suficiente para suprir toda a demanda térmica do processo, ou seja, a secagem e a fase endotérmica da pirólise.

008- Praticamente todos os produtores de carvão vegetal, não avaliam adequadamente esse balanço energético. Pior ainda, por não considerarem a energia contida nos gases gerados na pirólise, lançam tais gases na atmosfera. Essa extensa variedade de compostos gasosos - condensáveis ou não condensáveis - tais como alcatrões, ácido acético, metanol, siringol, guaicol, fenol, cresol, entre outros, são altamente poluentes, com efeitos nefastos à saúde pessoal e ao meio ambiente. O lançamento para atmosfera destes gases, sem nenhum tratamento, constitui um sério problema das técnicas até hoje utilizadas na fabricação de carvão vegetal, causando contaminação do ar, do solo e dos lençóis freáticos.

009- Em certos países há dois tipos de fornos de carbonização responsáveis pela quase totalidade da produção de carvão vegetal. Os dois se caracterizam por usarem parte da matéria-prima enfornada como fonte de calor para a secagem e para a fase endotérmica da pirólise. São fornos em alvenaria tipo colmeia, e aqueles denominados "fornos retangulares". Estes últimos, de grandes dimensões que, como processo, só diferem dos primeiros pelo fato de permitirem a mecanização do carregamento de matéria-prima e do descarregamento do produto. Trata-se de fornos que operam com processos de baixo grau de sofisticação, cujo rendimento mássico ou rendimento gravimétrico - relação carvão produzido / madeira anidra ' alimentada - não ultrapassa 33%. Além desse inconveniente, outros problemas inerentes a esses tipos de fornos são:

• a) dificuldade em se obter uniformidade de temperatura em todas as regiões do forno, o que acarreta diferenças no teor de carbono fixo do carvão vegetal produzido;
• b) ciclo completo de operação de longa duração - de 7 a 12 dias - o que implica em baixa produtividade;
• c) lançamento para a atmosfera dos gases, condensáveis e não condensáveis, decorrentes da pirólise, sendo que, ao resfriarem, os condensáveis transformam-se em líquidos poluentes;
• d) não aproveitamento dos constituintes gasosos combustíveis - condensáveis e não condensáveis - desprendidos durante a pirólise.

010- Alguns processos, que seguem caminhos diferentes do processo objeto da presente novidade, foram desenvolvidos nos últimos anos visando contornar os inconvenientes referidos. Entretanto, nenhuma dessas alternativas se mostra inteiramente adequada, nem tão pouco permite obter todas as vantagens do processo aqui em referência, fato que ficarão evidente após a apresentação de dois desses processos a seguir.

011- Na patente BR102014011171-9 é apresentado um processo e uma unidade produtora de carvão vegetal, alcatrão e gás combustível. Tal unidade é composta por um forno metálico, uma plataforma de carbonização e uma plataforma de descarregamento. O processo de carbonização ocorre em bateladas e a matéria-prima deve apresentar dimensões entre 100 e 120 mm, ou seja, na forma de cavacos. Como aspectos negativos do processo relatado nessa patente salientam-se a baixa recuperação mássica da matéria-prima, o baixo rendimento energético e, principalmente, a necessidade do emprego ' de cavacos, fato que torna o manuseio florestal excessivamente caro e comercialmente pouco viável.

012- Por sua vez, na patente CN106185877 é apresentado um processo e um equipamento para a produção de carvão vegetal utilizando bambu como matéria-prima. Nesse processo a carga de bambu passa sucessivamente pelas etapas de secagem, pirólise, oxidação a alta temperatura e resfriamento, sendo todas essas etapas realizadas em diferentes equipamentos interligados entre si. Entre os equipamentos relatados na patente, há separado, um forno para tratamento dos gases gerados ao longo do processo de forma a neutralizá-los e permitir seu lançamento para a atmosfera, sem contaminação do meio ambiente. Entretanto, esse processo apresenta dois grandes inconvenientes: o fato de empregar somente bambu como matéria-prima e o elevado custo de capital decorrente dos vários tipos de forno necessários. Além disso, de acordo com análise das informações disponíveis no relatório de patente, chega-se à conclusão de que é elevada a duração total do processo de produção apresentado nesse invento.

013- Mais recentemente, no artigo "Economic viability of four charcoal productive systems from Minas Gerais state", devidamente publicado em 2020; 44: e 4401 (http://dx.doi.Org/10.1590/1806-908820200000001), ο autor e colaboradores descrevem um equipamento denominado "forno-fornalha" como alternativa ao tradicional forno tipo colmeia. Tal alternativa consiste na interligação de quatro fornos colmeia a uma fornalha central que, abastecida por lenha, impõe a queima dos gases emitidos durante a carbonização, o que implica em significativa redução da poluição decorrente do processo. Entretanto, persistem as demais desvantagens do processo em fornos colmeia: queima de boa parte da madeira enfornada, fraca recuperação mássica da matéria-prima, baixíssimo rendimento energético e, sobretudo, a necessidade de queima de biomassa na fornalha.

014-A presente novidade está ilustrada por diagrama apresentado pela figura 1 bem como por fluxogramas 1 ilustrados pelas figuras 2 a 9 dispostas respectiva mente nas folhas 1/9 a 9/9 de desenho anexas, Suas partes estão assim numeradas:

• 01 - Reator
• 02 - Biomassa enfornada
• 03 - Chaminé
• 04 - Gaseificador
• 05 - Soprador de ar de gaseificação
• 06 - Válvula de ar de gaseificação
• 07 - Válvula de gás de gasogênio
• 08 - Soprador de ar de combustão
• 09 - Válvula com atuador de ar de combustão
• 10 - Câmara de admissão
• 11 - Venturi
• 12 - Câmara de combustão
• 13 - Válvula de ar de diluição
• 14 - Válvula de entrada de gases no reator
• 15 - Válvula da chaminé
• 16 - Válvula da recirculação
• 17 - Válvula de gás de pirólise
• 18 - Caixa d'água
• 19 - Válvula d'água do vaso comunicante
• 20 - Bandeja distribuidora
• 21 - Válvula d'água de geração de vapor
• 22 - Condensador
• 23 - Válvula de ar de oxidação parcial
• 24 - Conjunto GA/Reator em secagem
• 25 - Duto de interligação entre 24 e 26
• 26 - Conjunto GA/Reator em resfriamento
• 27 - Duto de interligação entre 26 e 28
• 28 - Conjunto GA/Reator em pirólise
• 27 - Duto de interligação entre 28 e 24

015- Como citado anteriormente, a carbonização demanda energia para a secagem da biomassa usada como matéria-prima e, em seguida, para a fase endotérmica da pirólise. Uma vez que no processo objeto da presente invenção não há queima de parte da matéria-prima enfornada para atender essas demandas, há necessidade de um equipamento externo capaz de gerar a energia térmica para dar início ao processo. A esse equipamento, fundamental ao presente processo, denominamos "Gerador de Atmosfera" ou simplesmente "GA". Ele é compacto, monobloco, construído em aço carbono e dotado de revestimento refratário e isolamento térmico.

016- Figura 1 - Representa o diagrama isolado do GA. Ele é composto por gaseificador (04), câmara de admissão (10), venturi (11) e câmara de combustão (12), interligados por dutos e válvulas (06), (07), (13) e (14). Os sopradores de ar de gaseificação (05) e de ar de combustão (08) também fazem parte do equipamento, mas podem ser dispensados, como será mostrado mais adiante no presente texto.

017- Figura 2 - Representa o fluxograma referente ao GA. O início do processo ocorre com a geração de gases combustíveis no gaseificador (04). Para isso, este é alimentado por carga de biomassa, e feita sua ignição que resulta em gaseificação. Entende-se por gaseificação a reação de um combustível sólido com uma quantidade de oxigênio muito inferior à necessária para a reação completa, visando a formação de gás combustível. Essa quantidade adequada de oxigênio é regulada pela válvula (06) que, por sua vez, é alimentada pelo soprador (05). Os gases combustíveis gerados no gaseificador (04) são lançados na câmara de admissão (10), pela abertura da válvula (07).

018- A câmara de admissão (10) recebe os gases combustíveis em vazão determinada pela depressão criada pelo venturi (11) acoplado em sua saída. Esse venturi (11) opera conforme o "Efeito Venturi", criando depressão na linha de gás combustível na saída do gaseificador (04).

019- Com a introdução de uma fagulha no sistema completam-se os três elementos necessários para que haja uma combustão. Essa combustão se inicia no venturi (11) e termina na câmara de combustão (12), devidamente dimensionados para esse fim. Com a combustão e consequente expansão dos gases combustos gerados na câmara de combustão (12), obtém-se pressão positiva na saída dessa câmara.

020- 0 GA, isoladamente, é um equipamento comercial, pois os gases quentes nele gerados, com vazão regulada pela válvula (14), podem ser utilizados em diversos processos industriais, tais como secagem de minério, secagem de biomassa, secagem de combustível (como o coque verde), geração de vapor de baixa pressão, entre outros.

021- Assim operado, o GA disponibiliza gases combustos em alta temperatura, por volta de 1000°C, gases estes que podem ser diluídos com ar atmosférico através da válvula (13) visando adequar essa temperatura ao limite dos materiais usados na construção dos dutos e válvulas do equipamento pelos quais esses gases circulam. Esses gases possuem pressão positiva no sentido da saída da câmara de combustão (12).

022- Figura 3 - Ilustra o fluxograma do GA acoplado a um vaso denominado reator (01), que opera como secador, carregado da biomassa (02). Para exemplificar essa forma de operação, considere-se que a biomassa seja lenha de eucalipto com 35% de umidade (b.u.) e 0 objetivo seja secá-la abaixo de 10% de umidade (b.u.) no menor tempo possível, sem provocar danos à estrutura física da matéria-prima.

023- Três fatores principais determinam o tempo dessa secagem: a própria lenha e sua dinâmica de dessorção e vaporização relacionada com sua superfície de contato e teor de umidade, bem como a capacidade de geração de energia do GA e a temperatura de início de pirólise.

024- A temperatura dos gases combustos gerados no GA depende de fatores como a umidade e a espécie da biomassa usada como combustível sólido no gaseificador (04), bem como a estequiometria da combustão, entre outros. Para simplificar, admite-se que os gases são gerados a 1000°C e que o duto e a válvula (14), que interligam o GA ao reator (01), suportem temperaturas de 700°C. Torna-se necessário, pois, diluir esses gases para provocar essa redução de temperatura atuando na abertura da válvula (13), permitindo que ar atmosférico se misture aos gases combustos com esse objetivo.

025- Esses gases, a 700°C, são lançados de tal forma que seu primeiro contato ocorre com os gases da atmosfera interna do reator (01) e não com a carga sólida. Essa atmosfera interna constitui 0 veículo de transferência de calor, por convecção, para toda a carga. Inicia-se ο encharcamento térmico da carga de lenha (02) enfornada e, em seguida, dá-se início à vaporização da água de umidade nela contida. Como um dos fatores determinantes do tempo de secagem é a temperatura de início de pirólise, e essa temperatura é da ordem de 200°C, é preciso monitorar e atuar para que a temperatura interna do reator (01) não ultrapasse essa barreira. Assim, a maneira mais veloz de se promover a secagem é inserir o máximo de gases que o GA pode produzir, não deixando que a atmosfera interna ultrapasse 200°C. O equilíbrio entre a capacidade temporal da lenha expelir o vapor d'água e 0 incremento de energia disponibilizado pelo GA, determinam a temperatura da atmosfera interna do reator (01). Se o incremento de energia for maior que a velocidade de vaporização, ocorre aumento da temperatura da atmosfera interna do reator (01).

026- A temperatura da atmosfera interna do reator deve ser monitorada e mantida abaixo da temperatura de início da pirólise diferente da temperatura de entrada de gases. O processo aqui descrito admite a injeção de gases no reator (01), em temperatura da ordem de 1000°C, pois a geometria interna do reator (01) assim o permite.

027- Considerando o duto tracejado, o controle dessa temperatura é obtido através do manuseio de abertura da válvula (09) . Reduzindo-se a sua vazão, reduz-se a entrada de gás combustível vindo do gaseificador (04), pois a depressão na câmara de admissão (10) diminui. Desta forma, mantém-se a relação gás combustível / ar de combustão para uma boa queima reduzindo o incremento energético no reator (01). O contrário pode acontecer se a vazão de injeção dos gases for aumentada. Portanto, basta monitorar a temperatura interna do reator (01) e atuar no controle da válvula (09) para se manter a secagem nos limites de 200°C, sem gerar nenhum gás de pirólise. Esse monitoramento e atuação permitem automação simples, definida em duto representado por linha tracejada

028- Considerando os processos que separam as fases, como nas retortas verticais e no processo conhecido como DPC ("Drying-Pyrolysis-Cooling"), a radiação térmica da chama é dissipada na câmara de combustão (12) e a troca térmica da fase de secagem se dá por convecção. Porém, aqui aparece uma singularidade do processo objeto da presente novidade pois, enquanto os outros processos que separam fases usam, na fase de secagem, muita recircuiação e velocidade de fluido em temperatura da ordem de 200°C, que é baixa em relação ao processo aqui apresentado, acarretando alto consumo de energia elétrica em seus exaustores, no presente processo, faz-se opção por altas temperaturas e nenhuma recirculação, logrando obter uma secagem com baixíssimo consumo de energia elétrica, ou até eliminá-lo; se basta aquecer, por qualquer meio, a chaminé (03) e, desta forma, gerar a depressão adequada na saída dos gases. Assim o processo ocorrerá sem necessidade dos sopradores (05) e (08).

029- A madeira seca já é um material de valor, mas, se 0 objetivo for alcançar outros produtos, pode-se dar início ao processo de pirólise. A pirólise é o processo de conversão térmica da biomassa, a temperaturas entre 300°C e 1000°C, na ausência total de ar. No caso da madeira ou de outro vegetal qualquer, há decomposição pelo efeito da temperatura, resultando em carvão vegetal - que é produto sólido - além de produtos voláteis, partes dos quais podem ser condensados para gerarem outros produtos.

030- Portanto, o processo de pirólise consiste em conjunto de reações complexas envolvendo a formação de radicais intermediários. Apesar de ser uma tecnologia relativamente simples de conversão de biomassa em combustíveis sólidos, líquidos e gasosos, a carbonização é um processo bastante complexo quando examinado do ponto de vista físico-químico.

031- Como resultado dessa etapa do processo total de carbonização de biomassa, obtêm-se um resíduo sólido rico em carbono (carvão vegetal) e uma fração volátil composta de gases, vapores orgânicos e componentes de alcatrão. É esta fração volátil poluente que é lançada à atmosfera pelos processos de carbonização utilizados no estado da técnica. Tais gases podem ser integralmente queimados quando gerados em temperatura superior à de condensação dos seus componentes. No processo aqui descrito, os gases gerados são conduzidos, pelo duto que contém a válvula (17), para equipamentos, tais como condensadores dos componentes condensáveis e combustores dos demais gases, queimadores do gás integral e outros. Mostrar-se-á mais adiante neste texto que esses gases têm um papel fundamental no balanço energético da presente invenção.

032- Antes do início da pirólise é preciso determinar um patamar de temperatura para sua execução, patamar esse que varia de acordo com o teor de carbono fixo do carvão vegetal desejado. O teor de carbono fixo é o requisito mais importante na qualidade química do carvão vegetal e está diretamente relacionado com a temperatura na qual se desenvolve a pirólise. Por exemplo, adotando o valor de 320°C como limite de temperatura no reator (01), obtém-se um carvão vegetal com cerca de 75% de carbono fixo.

033- O processo aqui descrito permite que a pirólise seja conduzida de três maneiras distintas.

034- Figura 4 - Representa fluxograma que ilustra a primeira dessas maneiras, na qual, como exemplo, o reator (01) contém uma carga de lenha com umidade inferior a 10% (b.u.) - após a secagem - e com uma temperatura de 200°C, aproximadamente. Novamente, manuseando a válvula (09), pode-se aumentar a vazão de ar no venturi (11), acarretando aumento de depressão na câmara de admissão (10), e consequente acréscimo de gás de gasogênio gerado no gaseificador (04). Por conseguinte, há incremento energético no reator (01), elevando-se a temperatura em seu interior. Inicia-se a fase de pré-pirólise, fase essa endotérmica e que ocorre na faixa de temperatura de 200°C a 270°C. Nessas condições, inicia-se a liberação de voláteis, e a madeira começa a se decompor, liberando CO, CO2, ácido acético e metanol. Concomitantemente, abre-se a válvula (16) bem como a válvula (17) e fecha-se a válvula (15).

035- As duas fases seguintes da pirólise são a de transição, na qual as reações de decomposição continuam e tornam-se exotérmicas, no intervalo de temperatura entre 270°C e 290°C, e a fase de carbonização, durante a qual a reação torna-se ainda mais exotérmica. Esta última fase é termicamente autossustentável, tendo como resultado o desprendimento de gases com temperaturas situadas no intervalo de 380°C a 450°C. Ora, quando as reações se tornam auto sustentáveis, desprendem gases com temperaturas até 450°C. Mas é preciso manter o patamar definido em 320°C para a devida carbonização proposta em nosso exemplo.

036- Para evitar que gases nessa temperatura aqueçam a carga sólida para valores acima dos 320°C desejados nessa hipótese, promove-se controle simples e preciso de geração de energia térmica do GA. A demanda energética da fase endotérmica da pirólise é suprida numa dinâmica tal que, quando a superfície externa da lenha, em determinado local no reator (01), entra na fase exotérmica, seu interior ainda está na fase endotérmica. Assim, em toda a carga sólida estabelece-se o equilíbrio através do incremento instantâneo e a recirculação no duto que contém a válvula (16), mantendo-se a temperatura na atmosfera interna do reator (01) no patamar preestabelecido de 320°C. Atua-se na válvula (09), de acordo com a leitura da temperatura interna do reator (01), fato que pode ser facilmente automatizado.

037- Dessa forma, realiza-se uma pirólise que gera carvão vegetal sólido, e gás de pirólise acrescido de pequena fração de gases combustos. Esses gases combustos, oriundos do GA, são alimentados no reator (01) para suprir energeticamente a fase endo -térmica da pirólise. A mistura gás de pirólise / gases combustos, em pequena proporção, é inflamável e, nesse caso, deve ser direcionada para uma operação de combustão logo após a saída do reator (01), ainda quente, em temperatura acima do ponto de condensação dos seus constituintes.

038- Figura 5 - Representa fluxograma que ilustra a segunda maneira de executar a pirólise, com mais ênfase na retirada de condensáveis dos gases efluentes. A diferença para a modalidade anterior é que, nessa alternativa, não há queima de nenhum gás, pois não há chama. O gás de gasogênio, gerado dentro do gaseificador (04), em alta temperatura, é lançado na câmara de admissão (10), no interior da qual mistura-se com a recirculação e é lançado no reator (01) suprindo, por convecção, a demanda energética da fase endotérmica da pirólise.

039- O gás excedente contém todos os condensáveis da mistura gás de pirólise / gás de gasogênio, sendo integralmente disponível para retirada em condensadores e queima da fração não condensável.

040- Figura 6 - Representa fluxograma que ilustra a terceira maneira de se promover a pirólise. No final da secagem, eleva-se a temperatura interna do reator (01) desencadeando a pirólise e gerando produção de gases combustíveis. Nesse momento, as válvulas (06) e (07) são manobradas para desligar o gaseificador (04) e, portanto, para cessar a queima de gás no GA, em seus componentes venturi (11) e na câmara de combustão (12). Abre-se então a válvula (16), permitindo a recirculação dos gases de pirólise entre o reator (01) e a câmara de admissão (10) do GA. Nessa mesma câmara de admissão (10) introduz-se ar, em quantidades controladas, através do soprador (08) e da válvula (09), dando início a um fenômeno denominado "oxidação parcial", por não gerar chama. Esse oxigênio introduzido reage com pequena parte dos gases de pirólise, notadamente seus componentes mais reativos, como os vapores de alcatrão, elevando sua temperatura pelo ganho de calor sensível e perda de calor latente. Reintroduzidos no reator (01), esses gases aquecidos suprem a demanda da fase endotérmica da pirólise, gerando mais gás de pirólise e, portanto, ganhando novamente calor latente e perdendo calor sensível. Uma conexão em circuito fechado se mantem durante toda a pirólise.

041- Figura 7 - É fluxograma que mostra em relação à figura 6, uma inversão no local de entrada dos gases no GA durante a pirólise. Onde entrava ar atmosférico, aqui entra gás de pirólise e o ar atmosférico entra na câmara de admissão (10) através da válvula (23) onde entrava o gás de pirólise. Para se conseguir essa inversão modifica-se o fluxograma de tal forma que os gases gerados no reator (01), através dos dutos que contêm a válvula (16), são lançados, em recirculação, na boca aspirante do soprador (08), ficando tais gases responsáveis pela criação do efeito "Venturi" no GA. Na configuração dos fluxogramas indicados nas figuras anteriores, o gás lançado nesse ponto é o ar atmosférico, o que continua a acontecer na fase de secagem, durante a qual a válvula (09) regula sua vazão e a válvula (16) permanece fechada. O oxigênio necessário para a oxidação parcial nesta configuração é fornecido pelo ar atmosférico admitido pelos dutos que contêm a válvula (23), essa responsável pela regulagem de sua vazão. Como no caso anterior, não há queima dentro do GA, já que a energia térmica necessária é fornecida pela oxidação parcial do gás de pirólise.

042- O controle do processo, nesse caso, necessita unicamente da medição da temperatura da atmosfera interna do reator (01) e sua manutenção é obtida atuando-se na válvula (23). Da mesma maneira que nas formas anteriormente descritas para conduzir a pirólise, na presente alternativa, a automação da fase de pirólise também é tarefa simples. Para tanto, basta que seja emitido um sinal eletrônico por meio de um medidor de temperatura da atmosfera interna do reator (01) que, através de um atuador, regule o fluxo na válvula (23), mantendo-se constante o patamar desejado de temperatura no reator (01).

043- A vantagem dessa configuração está no fato de se obter uma quantidade constante de gás de pirólise em recirculação, com vazão determinada pela válvula (16), devido ao fato desse gás ser exaurido mecanicamente pelo soprador (08).

044- Uma vez que há excedente de gás de pirólise, combustível, em quantidade capaz de suprir toda a demanda energética do processo de carbonização, é possível interligar conjuntos de GA's / reatores (01) a outros conjuntos GA's / reatores (01).

045- Figura 8 - Mostra fluxograma referente aos dispositivos de resfriamento necessários ao processo. Na presente invenção o sistema de resfriamento se baseia na inertização do reator (01) e sua carga sólida, o carvão vegetal através da paralização das funções dos dispositivos (04 a 17). O enfoque é provocar a mudança de estado físico da água líquida para vapor d'água, fenômeno endotérmico que ocorre segundo a seguinte reação: H2O(l) → H2O(v) ∆Hvaporização = +10,3 kcal.

046- Esse vapor, gerado e percolado em toda carga solida de carvão vegetal, contida no reator (01), resfria--a bem como as paredes deste e sua atmosfera interna. O vapor d'água é gerado pelo aquecimento da biomassa (02), é descartado pela chaminé (03) do reator (01) ou, depois de passar pela válvula (21) aberta, é recuperado em um condensador (22) e reutilizado no processo. A quantidade de água alimentada por período de tempo, cuja vazão é regulada pela válvula (19), determina a velocidade do resfriamento e essa velocidade de resfriamento determina a granulometria do produto. Quanto mais rápido o resfriamento, menor a granulometria do carvão obtido, e vice-versa.

047- O resfriamento é obtido por meio da introdução da água em estado líquido na parte superior do reator (01), distribuída por bandeja metálica (20), aberta em sua superfície superior, e interna ao reator (01). Essa bandeja (20) pode ser substituída por uma serpentina aberta na extremidade, ou qualquer outro dispositivo similar. O nível de água nesse recipiente é ajustado externamente por meio de um sistema de vasos comunicantes que mantém o nível constante na caixa d'água (18). A água contida nesse recipiente troca calor com a atmosfera interna do reator no qual terminou a pirólise, gerando vapor d'água que percola toda a carga sólida contida no reator, resfriando-a e inertizando-a.

048- É mister também ressaltar que o processo, objeto da presente invenção, com reatores interligados, como indicado na Figura 8, é autolimpante. Qualquer componente do gás de pirólise que, porventura, condense nos dutos de interligação (25), (27) ou (29), ou mesmo se algum pedaço de carvão vegetal for depositado em tais dutos, todos são vaporizados e/ou queimados quando os dutos voltam a receber gases em alta temperatura. É mais uma vantagem em relação ao estado da técnica em especial, aos fornos do tipo "retangular".

049- A natureza e o escopo da invenção aqui apresentada podem ser melhor entendidos com base nos exemplos apresentados a seguir. Cumpre salientar que tais exemplos são meramente ilustrativos e não devem ser encarados como limitadores do processo desenvolvido.

050- EXEMPLO 1 - Os dados e resultados apresentados neste exemplo referem-se a uma unidade de carbonização formada por quatro reatores com dimensões internas de 3,0 m de largura, 6,0 m de comprimento e 3,2 m de altura operando em regime permanente. A biomassa utilizada como matéria-prima do processo é constituída por toras de eucalipto com 35% de umidade (b.u.) e cerca de 3,0 m de comprimento e 0,15 m de diâmetro.

051-Uma vez que toda a demanda térmica da etapa de secagem é suprida pela queima dos gases combustíveis gerados na fase de pirólise, há necessidade de sincronizar a operação da unidade de maneira que as etapas de pirólise em um reator e secagem em outro ocorram simultaneamente. Além disso, os outros dois reatores trabalham em regime de secagem, carga e descarga, tal como ilustrado da tabela a seguir, na qual SEC representa um reator em secagem, PIR em pirólise, RES em resfriamento e DEC em descarga e carga:

052-O ciclo completo de carbonização desta unidade é de 4 dias, sendo apresentada na tabela a seguir a duração de cada fase de operação.

053-Adotando-se esse regime de operação - pirólise executada com patamar de limite superior de temperatura de 320°C -a unidade recebe uma carga diária de 30,5 t de toras de eucalipto, obtendo-se uma produção de 8,8 t/dia de carvão vegetal com as seguintes características físico-químicas:

054- Os gases formados durante a operação - vapor d'água e gases de pirólise - são inteiramente convertidos em dióxido de carbono (CO2) nos geradores de atmosfera externos a cada reator da unidade - perfazendo um total de 21,7t/dia, e são lançadas para a atmosfera pela chaminé do reator em secagem.

055- -Tais resultados conduzem a um rendimento mássico de 0,45 t de carvão vegetal (com 75,9% de carbono fixo) por tonelada de madeira base anidra, o que é substancialmente superior àquele referente aos reatores atualmente em operação, os quais situam-se na faixa de 0,25 a 0,33. Além disso, o processo objeto desta invenção conduz a um ciclo completo de operação de apenas 4 dias, ciclo este notadamente inferior aos 7 a 12 dias dos processos atualmente em uso industrial. Ademais, a conversão em CO2 dos efluentes gasosos formados na etapa de pirólise permite afirmar que se trata de um processo não poluente em sua totalidade, pois seus efluentes gasosos são inteiramente absorvidos pelas árvores e vegetação situada no entorno da instalação da novidade. Tais fatos constituem outra vantagem em relação aos processos utilizados industrialmente até os dias de hoje.

056-EXEMPLO 2 - Com o objetivo de produzir carvão vegetal com maior teor de carbono fixo, foi executada segunda sequência de ensaios na qual a pirólise ocorreu em patamar de limite superior com temperatura de 400°C, usando a mesma matéria-prima, reatores e tempo de cada fase descritos no Exemplo 1. Com uma média de matéria-prima enfornada de 30,5 t por dia, foram obtidos 8,0 t/dia de carvão vegetal como produto. Tais resultados conduzem a um rendimento mássico de 0,41 t de carvão vegetal por tonelada de madeira base anidra com as seguintes características:

057- Como acréscimo à produção de carvão vegetal em larga escala, a presente novidade é tecnologia que permite obter elevados valores de recuperação mássica da biomassa enfornada, excelente rendimento térmico e segurança do ponto de vista ambiental, pois no processo aqui relatado não há lançamento de gases poluentes para a atmosfera.

058- Nas figuras de 1 a 9, aqui anexadas as linhas tracejadas representam opções de automação.

059- Figura 9 - Ilustra os conjuntos GA / reatores (24), (26) e (28) interligados pelos dutos (25), (27) e (29) considerando todas as válvulas devidamente controladas, o conjunto (28) está em pirólise pelo processo de oxidação parcial. Os gases gerados são lançados, através do duto (29), no GA do conjunto (24), neste são queimados e direcionados para o reator do conjunto (24), em secagem. Nesse momento, o conjunto (26) encontra-se em fase de resfriamento.

060- Os tempos de secagem, pirólise e resfriamento devem ter sincronismo, de tal forma que a pirólise em (28), a secagem em (24) e o resfriamento em (26) terminem simultaneamente, permitindo inversão de processo, que com início da pirólise em (24), a secagem em (26) e o resfriamento em (28). Os equipamentos, operando em circuitos sincronizados, tornam a carbonização auto sustentável, promovendo rendimento mássico integral da matéria-prima enfornada. Rendimentos muito próximos ao máximo teórico são alcançados com essa interligação.

061 - Em qualquer reator (01); terminada a pirólise, resta o carvão vegetal (02) na temperatura em que foi executada a pirólise. Nesse momento, é imprescindível resfriar esse carvão, pois qualquer contato com o oxigênio contido no ar atmosférico pode provocar sua combustão.

062- Nas figuras de 1 a 9, aqui anexadas as linhas tracejadas representam opções de automação.

063- À luz do que foi exposto neste relatório, fica expressa a relevância e à aplicabilidade industrial da presente tecnologia.

064- Em consequência do que foi relatado até aqui, as etapas de secagem, pirólise e resfriamento da biomassa se processam simultânea e independentemente em reatores interligados entre si, de forma cíclica, sendo a demanda energética para a fase de secagem e fase endotérmica da pirólise atendida pela energia contida nos gases de pirólise gerados no próprio processo.

065- O combustível responsável pelo suprimento energético da secagem da biomassa é obtido por meio da queima dos gases, provenientes de um reator em pirólise, no conjunto gerador de atmosfera, conjunto este formado por quatro equipamentos: gaseificador, câmara de admissão, tubo venturi e câmara de combustão, sendo tal conjunto conectado ao dito reator em secagem.

066- A temperatura do gás combustível, responsável pelo aquecimento da carga de biomassa contida em um reator que opera na etapa de secagem, situa-se na faixa de 600°C a 1000°C, de preferência de 700°C a 800°C.

067- A energia necessária para a realização da fase endotérmica que ocorre durante a pirólise da biomassa é fornecida, opcionalmente, pelos gases combustíveis gerados no gaseificador e queimados no venturi e câmara de combustão do gerador de atmosfera.

068- A energia necessária para a realização da fase endotérmica que ocorre durante a pirólise da biomassa é, opcionalmente, fornecida pela energia sensível contida nos gases gerados em alta temperatura num gaseificador e lançados no Gerador de Atmosfera que também recebe, em recirculação, gases de pirólise e essa mistura reaquecida é lançada no reator em pirólise, não havendo necessidade de chama.

069- A energia necessária para a realização da fase endotérmica que ocorre durante a pirólise da biomassa é fornecida pela recirculação do gás gerado no interior do próprio reator em pirólise, gás este submetido a uma operação de oxidação parcial no conjunto gerador de atmosfera conectado ao dito reator em pirólise, não havendo necessidade de chama.

070- Uma fornalha, ao invés de um gaseificador, pode ser utilizada no conjunto Gerador de Atmosfera.

071- O resfriamento do leito de carvão vegetal produzido é realizado através de percolação de vapor d'água, vapor este resul -tante da vaporização de água introduzida no interior do reator que opera nesta etapa de resfriamento.

072- O fluxo de vapor d'água responsável pelo resfriamento do leito de carvão vegetal produzido é obtido por meio de um sistema composto por caixa d'água interligada em forma de vasos comunicantes com uma bandeja onde é feita a alimentação contínua de água durante a etapa de resfriamento do carvão vegetal produzido.

Claims (8)

1. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL caracterizados por gerador de atmosfera GA, composto por dispositivos (04 a 14), no qual o soprador de ar de gaseificação (06) aberta, tem comunicação com a parte inferior do gaseificador (04) cuja parte superior tem por saída um duto interceptado por válvula de gás de gasogênio (07) aberta, duto esse em comunicação com câmara de admissão (10) que, numa extremidade, dispõe de duto de entrada onde são adaptados soprador de ar de combustão (08) e válvula com atuador de ar de combustão (09) aberta, câmara (10) essa cuja extremidade oposta é conectada a tubo venturi (11) solidário a câmara de combustão (12) que apresenta duto de saída em comunicação com duto interceptado por válvula de ar de diluição (13), tubo de saída referido também interceptado por válvula para saída de gases quentes (14) aberta.
2. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicação 1 caracterizados por duto interceptado por válvula (09) automática, ambos apenas complementares, duto esse em comunicação com topo de reator (01) que contem biomassa (02), e que a câmara de admissão (10), através de duto interceptado por válvula de recirculação (16), agora fechada, ter comunicação com chaminé (03) dotada de válvula (15) aberta, chaminé essa cuja base tem comunicação com duto de saída do reator (01) que é interceptado por válvula de gás de pirolise (17) agora fechada, sendo que a chaminé (03) também está em comunicação com caixa d'agua (18) através de duto interceptado por válvula d'agua de geração de vapor (21) agora fechada, duto esse também interceptado por condensador (22), sendo que a caixa (18), por meio de duto interceptado por válvula d'agua do vaso comunicante (19) aberta, é conectada a bandeja distribuidora (20), suspensa na parte superior interna do reator (01).
3. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicações 1 e 2 caracterizados por sequência em que a válvula (15), agora fechada, permite comunicação entre a chaminé (03) e a câmara de admissão (10), através de duto interceptado pela válvula de recirculação (16), agora aberta, enquanto as válvulas referentes ao GA permanecem abertas e a válvula (21) permanece fechada.
4. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicações 1 e 2 caracterizado por sequencia com a inativação do soprador (08) bem como do fechamento da váivuia (09) sendo que as váivuias (15) e (21) permanecem fechadas enquanto a chaminé (03) permanece em comunicação com a câmara de admissão (10) através do duto interceptado pela válvula (16) que permanece aberta, tal como as válvulas (06) e (07), enquanto a válvula (13) é fechada e válvula (17) permanece aberta.
5. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicações 1 e 2 caracterizados por sequencia constituída pela ativação do soprador (08) bem como abertura da válvula (09), fechamento das válvulas (06) e (07), inativação do soprador (05) e do gaseificador (04), manutenção do fechamento das válvulas (13), (15) e (21) bem como manutenção da abertura das válvulas (14), (16) e (17).
6. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicações 1 e 2 caracterizados por sequência que mantem a inativação do conjunto (04 a 07) e o fechamento das válvulas (13), (15) e (21), o fechamento da válvula (09) e a inversão desta em relação ao soprador de ar de combustão ' (08) com entrada em duto interceptado por válvula (16) aberta e em comunicação com a chaminé (03), válvula (08) cujo duto de saída está em comunicação com a câmara de admissão (10) em comunicação com válvula de ar de oxidação parcial (23) aberta, sendo que o conjunto (10 a 12), através de duto, interceptado pela válvula (14) aberta, mantem comunicação com o interior do reator (01) cuja saída é o duto em comunicação com a base da chaminé (03) e que é interceptado pela válvula (17) que continua aberta.
7. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicações 1 e 2 caracterizados por sequência que paralisa todo o GA, fecha a válvula (17), mantém fechada a válvula (15) e abre a válvula (21) cujo duto, interceptado pelo condensador (22) penetra na caixa d'agua (18) que tem seu duto de saída interceptado por válvula d'agua de geração de vapor (19) aberta, duto de saída este em comunicação com bandeja distribuidora (20).
8. PROCESSO E UNIDADE PRODUTIVA PARA OBTENÇÃO DE CARVÃO VEGETAL conforme reivindicações 1 e 2 caracterizados por um dos estágios alternáveis do processo em atividade corresponder a uma bateria formada por conjunto GA/reator em secagem (24), conjunto GA/reator em resfriamento (26) e conjunto GA/reator em pirolise (28), considerando que duto (25) estabelece comunicação entre o reator (24) e o reator (26), sendo que este estabelece comunicação com reator (28) através do duto (27) enquanto o duto (29) estabelece comunicação entre o reator (28) e o reator (24).

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