BR112012015516B1

BR112012015516B1 - Aparelho, componentes e métodos de operação para gaseificadores e reatores de transporte de leito fluidizado circulante

Info

Publication number: BR112012015516B1
Application number: BR112012015516-4A
Authority: BR
Inventors: Guohai Liu; Pannalal Vimalchand; Wan Wang Peng
Original assignee: Southern Company Services, Inc.
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2019-02-19
Also published as: US20110146152A1; EP2516600B1; PL2516600T3; RS56305B1; ZA201204500B; BR112012015516A2; HK1158250A1; EP2516600A2; CN102154030A; WO2011084734A2; CN102154030B; WO2011084734A3; KR20120106816A; AU2010339754B2; US8961629B2; HUE036389T2; AU2010339754A1; CA2785333C; EP2516600A4; TW201139943A

Abstract

"aparelho, componentes e métodos de operação para a circulação de gaseificadores e reatores de transporte no leito fluidizado" as melhorias propostas na presente invenção fornecem um aparelho confiável e método para gaseificar carvões de baixo grau em uma classe de reatores de leito fluidizado pressurizado circulantes denominados "gaseificador de transporte." as formas de realização superer uma série de problemas de operabilidade e confiabilidade com os gaseificadores existentes. os sistemas e métodos que abordam as questões relacionadas com a distribuição de agente de gaseificação, sem a utilização de internos, a gestão de libertação de calor a fim de evitar qualquer aglomeração e formação de clínquer, específico designe do leito para suportar o ambiente altamente erosivo devido a elevada taxas de circulação das partículas sólidas, o designe de um tubo vertical do ciclone para suportar o ambiente de alta temperatura de gaseificação, design compacto da junta de vedação que pode lidar com o alto fluxo de massa de sólidos, designe de bicos que eliminam a ligação, uniforme de aeração do tubo vertical de grande diâmetro, a injeção de oxidante nas saídas de ciclone para efetivamente modular temperatura der saída do gaseificador e a redução da altura total do gaseificador com uma modificada da válvula nãomecânica.

Description

APARELHO, COMPONENTES E MÉTODOS DE OPERAÇÃO PARA

GASEIFICADORES E REATORES DE TRANSPORTE DE LEITO FLUIDIZADO

CIRCULANTE

REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDO RELACIONADO

Esse pedido reivindica o benefício do Pedido Provisional dos Estados Unidos 61/288.533, depositado em 21 de dezembro de 2009 o qual é aqui incorporado mediante referência.

DECLARAÇÃO COM RELAÇÃO À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO

PATROCINADO PELO GOVERNO FEDERAL

Esse pedido foi feito com o apoio do governo em conformidade com o Cooperative Agreement Número DE-FC2190MC25140 autorizado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos. O governo dos Estados Unidos tem certos direitos na invenção.

CAMPO DA INVENÇÃO

Essa invenção se refere, em geral, aos reatores de transporte de leito fluidizado circulante pressurizado e, mais especificamente, aos vários componentes em um gaseificador de transporte circulante.

ANTECEDENTES

Entre	as	várias tecnologias	de gaseificação
analisadas em	um	livro de Higman	e van de Burgt
(Gasification,	2003,	Elsevier), se torna	evidente que novas

tecnologias são desejadas para aperfeiçoar a economia de gaseificação de carvões de baixa categoria, particularmente carvões com elevado teor de umidade e/ou elevado teor de cinza tal como carvões de lignita ou carvões subbetuminosos.

Os gaseificadores de fluxo arrastado alimentam os

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2/34 carvões com tamanhos de partícula inferiores a 75 micrômetros com um sistema de alimentação a seco ou em pasta fluida. Para os métodos de alimentação a seco, a umidade do carvão tem que ser inferior a 5% para impedir 5 que as partículas de carvão formem tortas e se acumulem no sistema de alimentação, particularmente no recipiente de comporta do sistema de alimentação. Para o sistema de alimentação de pasta fluida, aproximadamente 35% de água tem que ser adicionados para fazer uma pasta fluida de 10 carvão. É necessário secar o carvão até níveis muito baixos de umidade antes de fazer a pasta fluida para evitar mais do que 40% de água total na pasta fluida. Em geral, os carvões de baixa categoria contêm mais do que 30% de umidade; para secar os carvões até menos do que 5% de 15 umidade é exigida uma instalação de secagem dispendiosa com elevados custos de operação, diminuindo a eficiência total do sistema. É altamente desejável reduzir as tarefas de secagem e preocupações operacionais no processamento dos carvões de categoria inferior.

A Patente dos Estados Unidos N° 6.631.698 revela um reator de leito fluidizado circulante que pode ser usado para gaseificar carvões de baixa categoria. Contudo, o aparelho pode ser usado apenas em uma aplicação atmosférica e requer um grande espaço ocupado para produzir a grande 25 quantidade de combustível de síntese exigido pela instalação química ou de energia, moderna onde os gaseificadores de carvão são instalados.

A Patente dos Estados Unidos N° 5.560.900 revela um processo com base em um reator de leito fluidizado 30 circulante pressurizado que também se destina a

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3/34 parcialmente oxidar os carvões de baixa categoria. O conceito proposto para processar carvão se baseia em mais do que cinco décadas de experiência com processo de Craqueio Catalítico de Fluido (FCC) de baixa pressão na indústria petrolífera. Como resultado, o sistema de reator, conforme tem sido revelado, utiliza o tubo de subida como um pirolisador com a grande quantidade de calor necessária para a reação de pirólise sendo carregada pelos materiais refratários divididos finamente em torno do loop do reator. Como separar a cinza de carvão gerada no processo dos materiais transportando calor é um dos problemas que são muito difíceis de lidar e a patente evita o problema. Além disso, esse reator tem uma zona de misturação abaixo da zona de pirólise cujo diâmetro é muito maior do que o diâmetro do tubo de subida para garantir tempo de permanência suficiente para aquecer as partículas de carvão alimentadas para dentro da zona de misturação. As velocidades mínimas do gás, necessárias para arrastar as partículas sólidas circulantes a partir da zona de misturação, fazem com que as velocidades do gás sejam incomumente elevadas no tubo de subida de transporte, causando uma rápida erosão de quaisquer partes internas tais como poços térmicos e erosão da parede de ciclone. Adicionalmente, como a reação de pirólise precisa de um tempo de permanência muito maior para conclusão e para evitar a formação de alcatrão no gás de síntese de produto (gás de síntese), o tubo de subida tem que ser inadequadamente alto em um processo comercial para o reator proposto na patente. Além disso, esse processo não ensina como distribuir o gás (vapor e ar ou oxigênio)

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4/34 apropriadamente através da seção transversal de um gaseificador de tamanho comercial.

Gaseificadores de leito móvel têm sido usados para gaseificar carvões de baixa categoria há mais de 100 anos. O gaseificador Lurgi, particularmente, tem sido amplamente usado para produzir gás de síntese para a síntese química. Contudo, o gaseificador de leito móvel requer carvão em pedaços como alimentação e não pode utilizar as partículas miúdas de carvão que são abundantes e que normalmente têm poucos usuários próximos. Outro empecilho dessa tecnologia é que grande parte do carvão é convertida em alcatrão mais propriamente do que em gás de síntese, útil.

Além disso, todos esses gaseificadores têm partes internas complicadas. Os gaseificadores de leito móvel têm um sistema de grade rotativa, elaborado e um mecanismo de agitação como partes internas para solidificar os carvões. Os gaseificadores de leito fluidizado têm vários tipos de distribuidores de agentes de gaseificação internos complicados que são feitos de ligas exóticas para tolerar as temperaturas de operação do gaseificador de até 1.100°C. Apesar dos efeitos consideráveis no projeto das grades de distribuição e seleção de materiais de liga de alta temperatura, dispendiosos, falhas dessas grades ainda ocorrem o que é comercialmente inaceitável. No caso de gaseificadores de fluxo arrastado, a parte interna mais problemática é o queimador de carvão que é um dos itens no processo de manutenção mais intensa.

Essa invenção proporciona um aparelho aperfeiçoado para uma ampla gama de aplicações de leito de

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5/34 fluido circulante incluindo gaseificação de carvões de baixa categoria tais como carvão de lignita e carvões subbetuminosos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Essa invenção proporciona um aparelho seguro e um método para gaseificar classe de reatores pressurizados

Modalidades da acima com os gaseificador distribuição misturação, carvões de de leito baixa categoria em uma fluidizado circulante, denominados gaseificadores de invenção superam os problemas gaseificadores do estado da de transporte.

mencionados técnica.

transporte circulante inclui um sistema de agente de gaseificação, uma zoa um tubo de subida, um estágio denominado denominado ciclone para para mover de de ciclone de primeiro retornar os ciclone presalter, de tubo vertical;

sólidos coletados um tubo vertical; e os sólidos a partir misturação e ao menos impedir o fluxo reverso

Os sistemas gaseificação de acordo um ciclone secundário uma perna de vedação no ciclone presalter uma válvula não mecânica para do tubo vertical para a zona tempo reduzir substancialmente dos gases.

de alimentação de com as modalidades de ou agente de da revelação podem ser implementados com poucas partes internas ou nenhuma reduzir sólidos parte interna.

substancialmente

O sistema de distribuição pode ou impedir o fluxo de retorno de quentes. A distribuição uniforme gaseificação através da seção transversal facilitada pelo movimento de partículas gaseificador.

Modalidades do gaseificador de do do agente de gaseificador é sólidas dentro do transporte também

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6/34 podem incluir bicos que alimentam o gás para dentro do gaseificador com mecanismos para reduzir substancialmente ou impedir que os bicos sejam entupidos quando o gaseificador é subitamente desligado por razões de processo 5 ou de segurança. Os sólidos assentados nos bicos durante o desligamento podem ser simplesmente soprados de volta para dentro do gaseificador a partir do reinício do fluxo de gás para os bicos. Consequentemente, os bicos de gaseificador de transporte podem evitar ser entupidos.

Um gaseificador de transporte de acordo com as modalidades da revelação também pode empregar um ciclone presalter de primeiro estágio que pode separar os elevados carregamentos de sólidos no gás transportador assim como substancialmente reduzir ou impedir que a parede de ciclone seja erodida por tais carregamentos elevados de sólidos.

Além disso, em comparação com os ciclones da técnica anterior, o ciclone presalter de acordo com as modalidades da revelação no primeiro estágio pode ser empregado com nenhum localizador de vórtice assim como nenhum teto. Esses 20 conceitos podem reduzir os problemas de confiabilidade encontrados em um modelo de ciclone de primeiro estágio de alta pressão, alta temperatura, comercial, desempenho em operação e de longo prazo.

Os sólidos coletados pelo ciclone presalter podem fluir para o tubo vertical através de uma perna de vedação.

A posição e o modelo da perna de vedação em várias modalidades do gaseificador de transporte tiram proveito dos gradientes de pressão naturais para minimizar a adição de gás ao gaseificador de transporte circulante e de perna 30 de vedação.

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7/34

Um ciclone de tubo vertical pode coletar partículas a partir do fluxo de gás e os sólidos miúdos coletados pelo ciclone de tubo vertical podem subsequentemente se fundir com os sólidos coletados pelo ciclone presalter e retornar ao tubo de subida através do tubo vertical. Modalidades de um gaseificador de transporte podem reduzir ou evitar os problemas de fluxibilidade relacionados aos sólidos miúdos à medida que os sólidos miúdos fluem para baixo do tubo vertical. Além disso, essa invenção facilita a misturação de sólidos mais finos com os sólidos mais grossos coletados pelo ciclone presalter uma vez que os sólidos mais grossos fluem para o tubo vertical através da perna de vedação.

Em várias modalidades da revelação, parte do agente de gaseificação, oxigênio e/ou ar junto com o vapor, pode ser ejetada na saída do ciclone de primeiro estágio ou de segundo estágio para aumentar as temperaturas de saída de gás e reduzir o teor de carbono na cinza volante. A injeção do agente de gaseificação também pode reduzir o teor de metano e aumentar o teor de monóxido de carbono e hidrogênio no gás de produto.

Um gaseificador de transporte de acordo com as modalidades da revelação também permite uma configuração mais ótima das localizações de bico de aeração no tubo vertical em relação à técnica anterior. Um gás de aeração pode ser empregado na, ou próximo da parte inferior dos tubos verticais de diâmetro grande para aplicações comerciais de grande escala, de modo que o gás de aeração pode ser distribuído e facilita o fluxo de sólidos a partir do tubo vertical para o tubo de subida através de uma

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8/34 válvula não mecânica.

Em uma modalidade, a densidade a granel no tubo de subida pode estar na faixa de aproximadamente 5-20 libras/pés cúbicos (80, 09 a 320,37 kg/m³) . Em uma modalidade, a relação de massa dos sólidos circulantes para insumo pode estar entre aproximadamente 50 a 200. A ampla faixa é vantajosa para otimizar projeto e operações para estoques de alimentação com diferentes características de carvão.

O gaseificador de transporte proporciona métodos para controlar o nível de sólidos no tubo vertical e operar o gaseificador com fluxos de sólidos desejados, elevados e elevadas densidades de tubo de subida assim como em taxas elevadas de circulação sustentadas de sólidos no loop, resultando em aperfeiçoamento significativo para conversão de carvão em gás de síntese com taxas máximas de produção de gás de síntese.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma ilustração do gaseificador de transporte circulante.

A Figura 2 é um esboço do distribuidor de gás como parte da zona de misturação inferior através da qual uma porção do agente de gaseificação é introduzida no gaseificador.

A Figura 3 é uma ilustração da zona de misturação inferior, da zona de misturação superior, da porção inferior do tubo de subida e entrada de válvula não mecânica para a zona de misturação de gaseificador em conjunto com os bicos de injeção de carvão e distribuição de gás de alimentação para gerenciar a liberação de calor e

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9/34 obter aquecimento uniforme e rápido das partículas de carvão.

A Figura 4 é uma ilustração do joelho de tubo de subida conectando o tubo de subida e direcionador cruzado inclinado através do qual os sólidos coagulados no fluxo de gás entram de forma tangencial no ciclone presalter.

A Figura 5 é um esboço da perna de vedação conectando o ciclone presalter com o tubo vertical.

A Figura 6 é uma ilustração de um modelo de bico de aeração típico para fluxos de gás que fluem para dentro do gaseificador de transporte na direção para cima.

A Figura 7 é uma ilustração do modelo de ciclone de tubo vertical para resistir ao ambiente de alta pressão, alta temperatura e erosivo do gaseificador de transporte.

A Figura 8 é uma ilustração de injeção de oxidante nas saídas de ciclone para efetivamente modular as temperaturas de saída do gaseificador e ligeiramente aperfeiçoar a conversão total de carbono.

A Figura 9 é uma ilustração de distribuidor de aeração para tubos verticais de gaseificador de transporte de diâmetro grande.

A Figura 10 é uma ilustração do conceito de válvula não mecânica L+J para diminuir a altura total do gaseificador de transporte.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

Diversas modalidades e ilustrações de um gaseificador de transporte circulante de acordo com as modalidades da revelação são descritas por intermédio de exemplos e ilustrações. A Figura 1 ilustra o gaseificador de transporte circulante 100. A parede de recipiente de

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10/34 gaseificador pode ser feita de aço carbono e o invólucro também pode constituir o limite de pressão do gaseificador. O gaseificador de transporte circulante 100 pode ser operado em pressões entre aproximadamente 100-1000 psia 5 (689,48 a 6.894,8 kPa) dependendo da exigência de processo de unidades utilizando fluxo descendente do gás de síntese resultante. Dentro do invólucro do gaseificador de transporte circulante 100, pode haver duas camadas de revestimento refratário. Uma camada interna, em contato com 10 o leito de circulação de sólidos, pode incluir uma camada de material refratário resistente à erosão para proteger o material refratário de isolamento macio e a parede do recipiente. A camada isolante externa pode estar em contato com o invólucro do gaseificador de transporte circulante 15 100 em um lado e material refratário resistente à erosão no outro lado. O material refratário de isolamento protege o invólucro contra aquecimento excessivo. Uma modalidade do gaseificador de transporte circulante 100 pode incluir um distribuidor de gás próximo ao fundo do gaseificador; uma 20 zona de misturação inferior; uma zona de misturação superior; um tubo de subida; um direcionador cruzado inclinado; um ciclone de primeiro estágio (presalter); um ciclone de tubo vertical de segundo estágio; um tubo vertical; uma perna de vedação conectando o ciclone 25 presalter e o tubo vertical, e uma válvula não mecânica que conecta o tubo vertical e a zona de misturação, que será descrito aqui em detalhe adicional.

A Figura 2 é uma ilustração da zona de misturação inferior (LMZ) 200 de um gaseificador de transporte 30 circulante 100 de acordo com uma modalidade da revelação,

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11/34 através da qual aproximadamente 25-100% do gás (por exemplo, ar, oxigênio e/ou vapor) usados para as reações de gaseificação são injetados. As características do insumo determinam a quantidade de gás que precisa ser injetada na LMZ, e o restante pode ser distribuído ao longo da altura da zona de misturação (por exemplo, zona de misturação inferior e zona de misturação superior). Na modalidade mostrada na Figura 2, a LMZ 200 consiste em um distribuidor de gás de jato ou seção de entrada de gás 225. Aproximadamente 70-95% do gás entrando na LMZ podem ser injetados através da entrada de bico 210 na seção de distribuidor. Os restantes 5 a 30% do gás injetado na LMZ podem ser alimentados através de uma pluralidade de bicos 270 localizados ao longo da seção de cone 240 do distribuidor em várias elevações. O número de bicos, orientações e elevações pode variar dependendo do tipo de insumo e tamanho do gaseificador conforme pode ser considerado. Em conjunto, o gás fluindo através da seção de entrada de gás 225 e bicos 270 proporciona uma forma de introduzir e distribuir o agente de gaseificação através da seção transversal inteira do gaseificador sem quaisquer partes internas.

A entrada de bico 210 demarca o tubo revestido de material refratário do distribuidor com o tubo de metal que transporta o gás a partir de sua fonte. O tubo revestido com material refratário no formato de U na modalidade mostrada na Figura 2 tem uma seção vertical 215 através da qual o gás flui no sentido para baixo e é conectado à seção horizontal 220 e outra seção vertical 230 através da qual o gás flui para cima em direção à garganta

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12/34 antes de entrar na seção de cone do distribuidor. Todas essas seções podem ser feitas de um tubo revestido de material refratário. Quando por um motivo de segurança ou de processo, o gaseificador liga, os sólidos mantidos na zona de misturação do gaseificador e/ou nas seções de tubo de subida cairão e serão assentados na porção inferior do gaseificador, enchendo a seção vertical 230 e uma porção da seção horizontal 220. O modelo da seção horizontal 220 é tal que os sólidos não alcançarão a seção vertical 215. Esse modelo protege de forma segura o tubo de metal de conexão na entrada 210 a partir dos sólidos quentes em assentamento cuja temperatura pode variar até 2000°F (1.093,3°C). Além disso, a relação de comprimento/diâmetro de ao menos quatro para a seção horizontal 220 pode ser empregada de modo que os sólidos assentados podem ser soprados de volta para o gaseificador a partir da retomada das operações de gaseificação. Operabilidade e preocupações de segurança são amplamente reduzidas uma vez que entupimento da linha de alimentação principal do agente de gaseificação é reduzido e/ou eliminado.

O agente de gaseificação fluindo através da seção de entrada 225 entra na seção de cone 240 do LMZ 200. A velocidade superficial do gás na garganta, na entrada 225 pode estar entre aproximadamente 50-300 pés/segundo (15,24 a 91,44 m/s). A ampla faixa de velocidades com as quais o agente de gaseificação pode ser introduzido no gaseificador aumenta a flexibilidade das operações mediante provisão de um método para introduzir e distribuir o agente de gaseificação a partir da partida até carga total. O agente de gaseificação pode se misturar com os sólidos em refluxo

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13/34 e caindo para dentro da parte inferior da LMZ 200. O carvão animal nos sólidos em refluxo é queimado por intermédio do oxidante no agente de gaseificação. Na operação do aparelho, a indicação para se os sólidos estão em refluxo e em misturação adequada, especialmente por todo o caminho até a parte inferior da seção de cone, pode ser deduzida a partir de um conjunto de indicações de temperatura 280. Se uma quantidade suficiente de sólidos tiver refluído para dentro da seção inferior da LMZ, a indicação de temperatura 280 será quase a mesma que outras indicações de temperatura dentro do gaseificador. Se os sólidos quentes em refluxo para o fundo da LMZ forem inferiores ao desejado, o nível de sólidos no tubo vertical pode ser aumentado mediante redução da taxa de descarga de cinza ou mediante adição de mais sólidos inertes ao gaseificador. Isso aumenta a taxa de fluxo de sólidos reciclados a partir do tubo vertical para dentro da zona de misturação, aumentando a densidade dos sólidos na LMZ 200, o que aumenta a taxa de sólidos quentes refluindo por toda a LMZ 200.

O agente de gaseificação flui para dentro da seção cilíndrica 250 da LMZ 200 e o oxigênio restante no agente de gaseificação será consumido pelo carvão animal nos sólidos circulantes. Em um gaseificador adequadamente operado, o conjunto de indicações de temperatura, 285 e 290, será quase o mesmo que o conjunto de indicações de temperatura 280. As correntes de gás entrando na LMZ 200 e o gás gerado devido às reações de combustão e gaseificação fluem para fora da LMZ na saída 260. A velocidade do gás superficial saindo da LMZ na saída 260 pode estar na faixa de aproximadamente 5 a 15 pés/segundo (1,524 a 4,572 m/s)

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14/34 que é suficiente para arrastar quantidade significativa de sólidos para fora da LMZ por intermédio do gás. Isso permite que sólidos reciclados frescos fluindo a partir do tubo vertical refluam por toda a LMZ. À medida que o 5 alcatrão é introduzido continuamente na LMZ com os sólidos frescos refluindo para baixo, o perfil de temperatura a LMZ é mantido através de reações de combustão e gaseificação. A densidade do leito na LMZ pode estar entre 15-40 libras por pé cúbico (240,28 a 640,74 kg/m³) . Tal densidade de leito 10 na LMZ pode ser obtida mediante ajuste do nível de sólidos e taxa de aeração no tubo vertical (afetando a taxa de sólidos a partir do tubo vertical para a zona de misturação) assim como mediante ajuste da distribuição do gás entre a LMZ e a zona de misturação superior 300 15 (afetando a velocidade de gás superficial na LMZ).

O gás injetado para dentro da LMZ flui no sentido para cima, para a zona de misturação superior (UMZ) 300 conforme mostrado na Figura 3. O oxigênio não reagido no gás de alimentação a partir da LMZ pode primeiramente 20 encontrar o carvão animal na porção superior da LMZ e na porção inferior da UMZ. O carvão animal pode ser de natureza refratária (por exemplo, não reativo a partir da perspectiva de gaseificação) em natureza e estar presente nos sólidos circulantes reciclados a partir do tubo 25 vertical 700 (Figura 1) através da válvula não mecânica 800. Na modalidade apresentada na Figura 3, o carvão animal pode ser utilizado para gerar energia térmica que pode ser necessária para reações de gaseificação altamente endotérmicas que ocorrem no tubo de subida 400. O perfil de 30 temperatura do gaseificador é mantido à medida que o calor

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15/34 de combustão gerado é consumido através da endotermicidade das reações de gaseificação, perdas de calor e calor sensível no gás de síntese saindo do gaseificador. Devido às taxas de circulação de sólido, potencialmente elevadas, de forma significativa (com fluxos de massa elevada), o teor de carvão animal nos sólidos circulantes pode estar na faixa de aproximadamente 0,1% a 4% que é mais do que suficiente para consumir todo o oxigênio no gás de alimentação. Como os sólidos reciclados a partir do tubo vertical fluindo para dentro da zona de misturação podem estar na faixa de aproximadamente 1.600-2.000°F (871,1 a 1.093,3°C), a taxa de reação de combustão de alcatrão é quase instantânea. O oxigênio a partir da zona de misturação inferior pode ser consumido rapidamente ao encontrar o carbono de alcatrão.

Para algumas aplicações, oxidante adicional pode ser necessário para consumir qualquer carvão animal em excesso nos sólidos circulantes. Isso é realizado mediante adição do oxidante 1500 diretamente na UMZ 300 conforme mostrado na modalidade na Figura 3. A percentagem de teor de carvão animal nos sólidos circulantes é controlada pela taxa de circulação de sólidos, taxa de alimentação de carvão, temperatura global do gaseificador e a distribuição de temperaturas ao longo da altura do gaseificador. A distribuição de oxidante no gás de alimentação é útil para controlar a liberação de calor ao longo da porção inferior do gaseificador de transporte circulante. Elevadas taxas de circulação de sólidos e liberação de calor uniforme e distribuída impedem os pontos quentes. Os pontos quentes podem ser altamente prejudiciais à operação do gaseificador

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16/34 uma vez que eles levariam à aglomeração, formação de escória e clínquer.

Fluxos de sólidos, elevados e taxas igualmente elevadas de circulação de sólidos facilitam as temperaturas de operação uniformemente elevadas em torno do gaseificador de transporte circulante 100, levando a elevadas eficiências de gás quente com produtos gasosos desejáveis. Os sólidos quentes circulando em torno do gaseificador de transporte circulante podem ser considerados como um volante térmico no qual a energia é adicionada através da combustão de alcatrão e consumida através das reações de gaseificação, perdas de calor e calor sensível. Em um ciclo completo em torno do gaseificador de transporte circulante, aproximadamente 5% de energia térmica é adicionada ao volante térmico na zona de misturação que é eventualmente consumida no tubo de subida e outras partes do gaseificador. Como a energia adicionada e consumida é apenas uma pequena percentagem da energia térmica circulando em torno do gaseificador de transporte circulante, a temperatura do gaseificador em torno do loop é quase uniforme.

Carvão ou outros sólidos carbonáceos a partir dos alimentadores 1600 podem ser adicionados à seção superior de UMZ 300 conforme mostrado na modalidade de seção de alimentação do gaseificador na Figura 3. Dependendo da reatividade dos sólidos de alimentação, o diâmetro médio de massa (MMD) dos sólidos de alimentação pode estar na faixa de 200 a 500 micrômetros. Os MMDs de carvões de baixa categoria, que tendem a ser altamente reativos, podem estar na faixa de 350 a 500 micrômetros. Tal tamanho de

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17/34 alimentação grande reduz os custos de moagem e também gera cinza na faixa de tamanhos que é adequada para manter elevadas taxas de circulação de sólidos (cinza) no gaseificador de transporte circulante.

Como todo o oxigênio alimentado ao gaseificador pode ser consumido na LMZ e seções inferiores da UMZ pelo carvão animal nos sólidos circulantes, o carvão alimentado ao gaseificador pode não entrar em contato com qualquer oxigênio no gás de alimentação. Para a maioria das aplicações químicas, o carvão é transportado para o gaseificador por intermédio de CO2 ou nitrogênio. Sem carvão fresco entrando em contato com o oxigênio, os pontos quentes locais podem ser evitados e a probabilidade de formação de clínquer pode ser eliminada. Para operação de sopro de ar do gaseificador para aplicações de ciclo combinado de gaseificação integrada (IGCC), pode ser vantajoso transportar o carvão com o ar. A quantidade de ar usada para tal transporte é inferior a aproximadamente 15% do ar total injetado no gaseificador em tal aplicação. Elevadas taxas de circulação de sólidos no gaseificador de transporte circulante e injeção de carvão em diferentes elevações na porção superior da UMZ 300 podem dispersar o oxigênio no transporte de ar rapidamente e a possibilidade de se formar quaisquer pontos quentes no gaseificador é minimizada.

Devido às elevadas taxas de circulação de sólidos nas modalidades de um gaseificador de transporte, as partículas de carvão são aquecidas em uma alta taxa (por exemplo, em uma taxa de aproximadamente 50.000°F/segundo (27.760°C/segundo)) na porção inferior do tubo de subida

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400 do gaseificador. Tais taxas elevadas de aquecimento levam ao desprendimento de uma grande fração de alimentação, como materiais voláteis e grande parte do craqueio térmico dos materiais voláteis e as reações de gaseificação ocorrem no tubo de subida. A conversão de carbono no tubo de subida para produtos gasosos úteis podem estar na faixa de 65-80% na primeira passagem através do tubo de subida. O carvão animal não reagido pode ser coletado pelos sistemas de ciclone e retornado à zona de misturação para reagir com o oxidante alimentado para dentro das porções inferiores da zona de misturação. O calor liberado com oxidação parcial ou completa na zona de misturação mantém o gaseificador em uma temperatura desejada. A densidade dos sólidos inertes que circulam em torno do gaseificador de transporte circulante pode estar na faixa de 15 a 20 libras/pés cúbicos (240,28 a 320,37 kg/m³) no tubo de subida. Tal densidade elevada de sólidos em um tubo de subida em uma modalidade da revelação, cujo diâmetro médio de massa pode estar na faixa de 75 a 100 micrômetros, prover uma grande quantidade de área de superfície e é eficaz no craqueio de moléculas orgânicas pequenas e outros produtos desvolatizados a partir do carvão para componentes de gás de síntese, desejados de CO e hidrogênio.

Para combustíveis altamente reativos tais como carvões de categoria inferior, a configuração do gaseificador de transporte pode ter o mesmo diâmetro ou diâmetro interno similar para LMZ, UMZ e tubo de subida. Para combustíveis menos reativos, o diâmetro interno da LMZ é maior do que a porção superior do gaseificador. Como a

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LMZ manipulará mais carvão animal a partir de combustíveis menos reativos, a funcionalidade da LMZ muda para otimização de oxidação parcial e reações de gaseificação de vapor.

O carvão animal não reagido e os sólidos inertes circulantes se deslocam ao longo do tubo de subida 400 até o topo e saem do tubo de subida 400 através de um joelho especialmente projetado 450 que conecta o tubo de subida 400 com o direcionador cruzado inclinado 550. Um exemplo de joelho é ilustrado a Figura 4. A estrutura e o modelo do joelho 450 minimizam a queda de pressão e evitam a erosão do direcionador cruzado inclinado 550 e do joelho 450. As partículas sólidas que constituem os sólidos circulantes de elevada massa no gaseificador de transporte podem ser derivadas continuamente da cinza gerada no gaseificador a partir do carvão de alimentação. Elas poderiam ser de formato irregular e ser abrasivas. Se as curvas não forem cuidadosamente projetadas, mesmo o material resistente à erosão durará apenas por uma pequena fração do tempo de vida pretendido. Os sólidos e o fluxo de gás entram no joelho 450 em 15 a 35 pés/segundo (4,572 a 10,668 m/s) de velocidade. Com um joelho de raio longo 450 que é tecnicamente praticável com base em outras limitações, o fluxo de sólidos circulantes se choca e tende a erodir a porção superior do joelho. Com um T ou joelho do tipo transversal, as porções superiores e as porções inferiores do joelho tendem a erodir. Na modalidade da Figura 4 usada em uma modalidade de um gaseificador de transporte, uma pequena parte do fluxo circulante entra na porção estendida do joelho. Esse fluxo realiza ciclos em torno da porção

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20/34 estendida do joelho e entra no direcionador cruzado inclinado 550, empurrando o fluxo circulante principal que entra no direcionador cruzado inclinado 550 para longe das porções superiores do direcionador cruzado inclinado 550.

Essas ações levam à corrente circulante principal dirigida em direção à porção inferior do direcionador cruzado inclinado 550 e o ponto de contato é denominado primeira aterrissagem.

Tais contatos (por exemplo, segunda aterrissagem, etc.) podem ocorrer em um sistema impropriamente projetado. Em uma modalidade, porção estendida do j oelho

450 em conjunto com o direcionador cruzado inclinado 550 é projetada para reduzir ou eliminar a erosão da porção superior do material refratário de direcionador cruzado 550 assim como os efeitos das aterrissagens.

A mistura de gás e sólidos que sai do tubo de subida 400 através do joelho 450 entra em um ciclone de primeiro estágio, o ciclone presalter 500. Conforme ilustrado na Figura 4, o direcionador cruzado 550 conectando o joelho de tubo de subida 450 e o ciclone presalter 550 é inclinado no sentido para baixo. O ângulo de inclinação <a> pode estar na faixa de aproximadamente 15 a 60 graus dependendo das características dos sólidos circulando no gaseificador de transporte circulante. A inclinação fará com que os sólidos se separem do gás no direcionador cruzado 550, e a massa dos sólidos de salgadura fluirá ao longo da parte inferior do direcionador cruzado e diretamente para dentro do cilindro do ciclone presalter 500 sem muita centrifugação ao longo da parede;

essa ação dos sólidos em conjunto com outros conceitos

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21/34 descritos na

Patente 7.771.585, que é aqui incorporada integralmente mediante referência, pode diminuir a possibilidade de erosão da parede de ciclone.

O ciclone presalter de forma conceptual serve para elevadas taxas de circulação de sólido e fluxos de massa para o desempenho do gaseificador de que são cruciais leito fluidizado pressurizado, circulante. O ciclone presalter na Figura 4 pode ser implementado sem localizador de vórtice assim como sem teto. Esses conceitos reduzem ou eliminam os vários problemas de confiabilidade encontrados em um modelo de ciclone comercial de alta temperatura, alta pressão; desempenho de operação e de longo prazo.

Os sólidos coletados pelo ciclone presalter 500 podem então fluir para dentro de uma perna de vedação 900, conforme ilustrado na Figura 5, que mostra o loop secundário para o sistema de ciclone incluindo o ciclone presalter; a perna de vedação 900; e o direcionador cruzado entre o ciclone presalter 500 e o ciclone de tubo vertical

600. A perda de vedação compreende um tubo descendente 910 em uma extremidade conectando o cone do ciclone presalter com a porção de perna horizontal 930, uma seção de tubo de subida de perna de vedação vertical 920 e uma seção inclinada 940 conectando a perna de vedação, o tubo de subida e o tubo vertical de gaseificador 710. O comprimento da porção de perna horizontal 930 pode ser de aproximadamente 2-10 vezes o diâmetro interno da perna horizontal e depende das características e das taxas de circulação de sólidos no gaseificador de transporte circulante. Os sólidos saem da perna horizontal através de uma perna vertical curta (tubo de subida de perna de

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22/34 vedação 920) e fluem para cima; a altura do tubo de subida de perna de vedação depende do modelo de outras partes do loop de perna de vedação. Em uma modalidade de um gaseificador de transporte, a altura do tubo de subida de perna de vedação 920 será tal que o nível de sólidos no tubo descendente de perna de vedação 910 pode ser menor do que aproximadamente 4-10 vezes o diâmetro do tubo descendente. A diferença de pressão entre a entrada de ciclone presalter 510 e a entrada de ciclone de tubo vertical 590 pode, em algumas modalidades, ser quase idêntica à diferença de pressão entre 510 e a saída de perna de vedação 990 para o tubo vertical. A resistência adicional ao fluxo no tubo descendente de perna de vedação é refletida na forma de um nível de sólido 915 no tubo descendente. Quanto maior for a resistência ao fluxo, maior é o nível de sólidos no tubo descendente. O modelo da altura de tubo de subida de perna de vedação pode ser usado para ajustar a resistência ao fluxo na perna de vedação e o nível de sólidos no tubo descendente.

Um objetivo da perna de vedação 900 pode ser substancialmente de garantir que o gás de processo flua a partir do ciclone presalter para cima até a entrada do ciclone de tubo vertical. Isso é obtido com uma coluna de fluxo de sólidos na perna de vedação que impede curtocircuito de fluxo de gás de processo para o tubo vertical. Normalmente, o fluxo de sólidos através da perna de vedação é acionado pela coluna de sólidos no tubo descendente. Nas modalidades dessa revelação, o fluxo de sólidos é acionado pela diferença de pressão entre o ciclone presalter e o tubo vertical assim como a coluna de sólidos no tubo

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23/34 descendente. Devido a essa diferença de pressão e/ou coluna de sólidos, fluxos superiores de sólido podem ser realizados através da perna de vedação com nível mínimo de sólidos no tubo descendente e com exigências mínimas para aeração dos sólidos. Para circuitos fechados de sólidos circulantes exigindo elevadas taxas de circulação de sólidos; tal como no caso da gaseificação, as modalidades da revelação levam ao modelo de perna de vedação compacta praticável para gaseificadores comerciais de grande escala. Além disso, o nível de sólidos 915 no tubo descendente também pode ser ajustado pela resistência do percurso de fluxo a partir de 510 através do joelho de direcionador cruzado 520 até a entrada de ciclone de tubo vertical 590.

Pode ser desejável aumentar a resistência ao fluxo nessa parte do loop de modo que o nível de sólidos no tubo descendente de perna de vedação possa ser adicionalmente minimizado para reduzir a taxa de aeração e maximizar o fluxo de sólidos na perna de vedação.

Para garantir elevadas taxas de circulação de sólidos no gaseificador de transporte circulante, pode ser desejável que os sólidos fluam suavemente através da perna de vedação. Isso pode ser realizado mediante injeção de uma quantidade mínima de gás de reciclagem para dentro da perna de vedação. As características do gás de reciclagem podem ser quase idênticas as do gás de síntese produzido no gaseificador, mas tem sido submetida ao resfriamento, limpeza e re-compressão. Nessa modalidade, o gás de aeração 980 para perna de vedação é dividido em três ramais. O fluxo de aeração para o tubo descendente de perna de vedação 910 é geralmente inclinado no sentido para baixo e

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24/34 a velocidade superficial é de entre 0,03-0,1 pés/segundo (0, 009 a 0,03 m/s) em termos da área de seção transversal do tubo descendente de perna de vedação.

O gás de aeração 950 para a seção horizontal 930 pode ser realizado por intermédio de bicos 1100 tendo um modelo como ilustrado na Figura 6. Essa parte do gaseificador de transporte compreende duas pernas e é denominada bico de ângulo agudo. A perna de alimentação de gás 1120 forma um ângulo substancialmente reto com a perna 10 de drenagem/limpeza 1130. Esse tipo de modalidade de bico de aeração pode ser usado para tubos revestidos com material refratário onde, um bico reto da técnica anterior é usado, pode ter uma relação de comprimento/diâmetro (L/D) geralmente de mais do que 20. Tais relações elevadas de L/D 15 causam o entupimento do bico o que é prejudicial para as operações. Conforme ilustrado na Figura 6, devido à alta pressão, elevada temperatura e ambiente erosivo típico dos gaseificadores de leito fluidizado circulante, o tubo tem geralmente duas camadas de material refratário. A camada 20 interna 1140 está em contato com os sólidos circulantes através do canal de fluxo 1110 e compreende material refratário resistente à erosão. A camada externa 1150 está em contato com o invólucro 1160 do tubo e compreende material refratário isolante para garantir que a 25 temperatura do metal de invólucro esteja abaixo de 300°F (148,9°C). A distância entre a parede interna de canal 1115 e o ponto de interconexão entre a perna de limpeza 1130 e a perna de alimentação de gás 1120 pode estar na faixa de aproximadamente 4-8 vezes o diâmetro interno do bico.

Devido à relação L/D dessa modalidade, mesmo se o bico

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25/34 estiver cheio com sólidos, o gás de aeração a partir da perna de alimentação de gás 1120 pode empurrar os sólidos para fora do bico e para dentro do canal de fluxo. Essa modalidade é usada de forma bem-sucedida nos bicos de gaseificador de transporte onde a direção de fluxo do gás de aeração e do agente de gaseificação é no sentido para cima.

	Manter o bico		limpo após uma	ligação	ou
desligamento	pode ajudar	a	garantir	o fluxo	de gás	de
aeração	para	fluidificar	os	sólidos	e manter	o fluxo	de
sólidos	elevado através	da	perna de	vedação.	A taxa	de

para a perna horizontal da perna de vedação pode aeração estar entre aproximadamente 0,03-0,1 pés/segundo (0,009 a 0,03 m/s) com base na área de seção transversal da perna horizontal e na pressão e temperatura de operação do gaseificador. Outra derivação do gás de aeração 950 é alimentada ao tubo de subida de perna de vedação. Sob circunstâncias normais, a aeração para o tubo de subida de perna de vedação é desnecessária. A única vez em que o gás de aeração pode ser exigido é quando o fluxo de sólidos está acima de aproximadamente 450 libras/pés²s (2.197 kg/m²s) . A capacidade normal para a perna de vedação apresentada nessa invenção de gaseificador de transporte com pressão diferencial e fluxo de sólidos acionados de coluna de sólidos de tubo descendente está na faixa de aproximadamente 200-500 libras/pés²s (976,5 a 2.441 kg/m²s).

O gás com muito carregamento de partículas reduzidas sai do topo do ciclone presalter 500 e entra em outro ciclone localizado no topo do tubo vertical 700. Um

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26/34 esboço do ciclone de tubo vertical do gaseificador do transporte 600 é dado na Figura 7. Nessa modalidade não limitadora, o ciclone de tubo vertical 600 não tem cone e tem o mesmo diâmetro que o tubo vertical, simplificando o modelo e construção. Ele simplesmente tem uma entrada tangencial ao tubo vertical. Como a entrada de ciclone de tubo vertical 600 recebe uma baixa concentração das partículas no fluxo de gás, o ciclone tem um localizador de vórtice para garantir elevadas eficiências de captura.

No ambiente de alta pressão (até aproximadamente

1.000 psig (6.894,8 kPag)) e alta temperatura (até aproximadamente 2.000°F (1.093,3°C)) de um gaseificador de transporte, os modelos da técnica anterior para suportar um localizador de vértice são inadequados. Conforme ilustrado na Figura 7, modalidades da revelação operam satisfatoriamente no ambiente de gaseificação. O tubo de localizador de vórtice tem uma camada fina de material refratário no interior e no exterior para proteção contra erosão. O suporte para o localizador de vórtice é embutido dentro do material refratário isolante o qual por sua vez é fixado no invólucro com um loop de expansão. A temperatura relativamente baixa no local de suporte e no loop de expansão garante que o suporte sofra tensão adicional mínima devido à expansão térmica.

A eficiência de coleta de ambos os ciclones combinados pode exceder 99,999%. Tais eficiências elevadas de coleta facilitam conversões de elevado teor de carbono no gaseificador enquanto que a perda de carvão animal através do sistema de ciclone é minimizada. Os conceitos de 30 ciclone presalter apresentados na Patente dos Estados

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Unidos N° 7.771.585 em conjunto com as modalidades da presente revelação facilitam a obtenção de elevadas eficiências de coleta em ambientes severos de gaseificação enquanto protegendo os materiais refratários do ciclone contra erosão e reduzindo falhas graves que são inerentes com o uso dos ciclones da técnica anterior.

Algumas aplicações, tal como geração de energia, e outras aplicações podem exigir controle preciso da taxa de geração de vapor, desejada a partir do resfriamento do gás de síntese quente a partir do gaseificador e garantia de que saída de energia projetada seja mantida. Contudo, há muitas incertezas de projeto e envelhecimento de equipamento que pode fazer com que as taxas efetivas de geração de vapor sejam diferentes da taxa projetada.

Uma das características desejadas e também um método praticável efetivo é a de modular a temperatura de saída do gaseificador para obter controle exato da taxa de geração de vapor. A extensão na qual a temperatura de operação do gaseificador temperatura mudada, e a

de	transporte circulante	integral	pode ser
rapidez da mudança	para	obter e	manter a
de	saída desejada	do	gaseificador, são

8, a temperatura de limitadas. Conforme mostrado na Figura saída do gaseificador de transporte pode ser facilmente modulada mediante injeção de uma pequena fração do oxidante

1500 ao ciclone presalter 500 ou saída do ciclone de tubo vertical

600, onde a concentração de sólidos é baixa e a concentração de carbono nos sólidos é relativamente alta. A fração de oxidante

1500 injetada é menor do que aproximadamente 5% do oxidante total que entra no gaseificador. Nessa modalidade de um gaseificador de

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28/34 transporte, a injeção de oxidante também aumenta ligeiramente a conversão de carbono no gaseificador de transporte circulante e reduz quaisquer constituintes de hidrocarboneto aromático no gás de síntese.

A propensão para circulação de sólidos no gaseificador de transporte circulante depende da pressão hidrostática dos sólidos no tubo vertical. Os sólidos no tubo vertical podem precisar estar em um estado fluidizado. Isso é obtido pelo gás arrastado pelos sólidos fluindo no sentido para baixo no tubo vertical e pela fluidização com o gás de reciclagem através dos bicos e distribuidores no tubo vertical. No processamento de carvão, o sólido circulante é cinza a partir do próprio carvão e diâmetros médios de massa dos sólidos podem variar de aproximadamente

75 a 100 micrômetros dependendo das características de cinza e com os ciclones funcionando eficientemente. Os sólidos nessa faixa de tamanho arrastam naturalmente certa quantidade de gás à medida que fluem a partir do ciclone presalter através da perna de vedação até o tubo vertical.

Além disso, os bicos estrategicamente localizados em torno do tubo vertical, e grade de aeração, no fundo dos tubos verticais de diâmetro grande, conforme mostrados na modalidade da Figura 9 proporcionam fluidização suficiente e pressão hidrostática suficiente para manter elevadas taxas de circulação de sólidos em torno do gaseificador de transporte circulante. O gás de aeração 1700 flui através da grade de distribuição que está localizada tipicamente em aproximadamente 6 a 18 polegadas (15,24 a 45,72 cm) abaixo da válvula não mecânica 800. O nível de sólidos no tubo vertical é mantido substancialmente constante mediante

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29/34 retirada de cinza mais grossa a partir do fundo do tubo de subida de perna de vedação e cinza mais fina a jusante do gaseificador de transporte.

Uma válvula não mecânica 800 conecta o tubo vertical com a zona de misturação conforme ilustrado na

Figura 10. Uma finalidade da válvula não mecânica é a de reduzir ou impedir o fluxo inverso de gases a partir da zona de misturação para dentro do tubo vertical. Válvulas não mecânicas típicas que têm sido usadas na prática são 10 denominadas perna-J, perna-L e perna-Y. Com ambas, perna-J e perna-Y, o ângulo de inclinação varia dependendo das características do leito de sólidos circulantes. Se a capacidade de produção de carvão for muito baixa, então o tamanho do gaseificador é pequeno e a distância de linha 15 central entre o tubo de subida e o tubo vertical é relativamente pequena. Sob essas condições, uma perna-J é a configuração preferida. À medida que aumenta a distância da linha central entre o tubo de subida e o tubo vertical, então a pressão hidrostática do tubo vertical necessária 20 para superar a resistência da perna-J também aumenta. Isso precisa de um aumento na altura do gaseificador e um aumento correspondente na altura da estrutura e, assim, os custos de capital. Para os gaseificadores de transporte exigindo maiores capacidades de produção, uma configuração 25 nova como mostrado na Figura 10 e denominada perna L+J, oferece vantagens potenciais. A porção-L curta na modalidade ilustrada servirá como a válvula não mecânica reduzindo ou impedindo o fluxo reverso de gases. A porção-J inclinada se tornará parte da zona de misturação/tubo de 30 subida no sentido de que oxidante 1500 e mistura de vapor

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30/34 podem ser introduzidos na porção-J e reações de combustão de alcatrão podem ser iniciadas. Desse modo a pressão hidrostática perdida devido à resistência de válvula não mecânica é significativamente reduzida e assim tornando praticável a redução da altura do tubo vertical. Além disso, nessa modalidade, um volume adicional do gaseificador (porção-J da perna

L+J) onde a combustão reações de gaseificação similares àquelas na zona de misturação e tubo de subida se tornam praticáveis. Isso reduz a altura da porção de tubo de subida do gaseificador.

Além de tudo, a modalidade

L+J ilustrada pode reduzir a altura do gaseificador o que pode ser vantajoso com modelo de gaseificador comercial de grande escala.

EXEMPLO descrito abaixo um exemplo não limitador de uma unidade de teste em escala de execução do gaseificador de transporte ilustrado na Figura 1 que foi construída extensivamente testada.

Nenhuma das descrições, faixas, ou outra informação nesse exemplo deve ser considerada como limitando o escopo da revelação acima.

O gaseificador da unidade de teste tem uma taxa nominal de alimentação de carvão entre 3.000 e

6.000 libras/hora (1.360,8 a 2.721,6 kg/h) e utiliza ar e oxigênio como o oxidante para reagir com carvão animal em sólidos circulantes para prover calor para as reações de gaseificação. Antes dos testes com carvão na unidade de escala de execução, várias modalidades do gaseificador de transporte foram primeiramente testadas em uma unidade de teste de fluxo frio, grande com configuração similar. Alguns carvões de baixa categoria, diferentes foram testados. O inventário de sólidos de

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31/34 partida compreendia cinza grossa drenada a partir do gaseificador a partir de um curso de teste anterior. O material na corrente de sólidos na instalação de teste ocasionalmente compreendia areia com um tamanho médio de partícula de 100-120 micrômetros. Durante um período de dois dias, areia foi gradualmente substituída por cinza gerada a partir do carvão de alimentação. O tamanho de partícula da cinza de carvão dependia ligeiramente das propriedades do carvão e era quase independente do tamanho de partícula de alimentação na faixa testada. A Tabela 1 ilustra tamanho de partícula típico dos sólidos circulantes para duas alimentações diferentes. O diâmetro médio de massa é de aproximadamente 100 micrômetros para o carvão sub-betuminoso testado no gaseificador de transporte e 80 micrômetros para a lignita testada. Como os dados foram compilados mediante operação do gaseificador em diferentes condições de teste, o fluxo de sólidos no tubo de subida variou na faixa de 75-350 libras/pés²s (366,2 a 1.708,8 kg/m²s) . A densidade de massa no tubo de subida variou de 5 a 15 libras/pés³ (80, 09 a 240,28 kg/m³) , que é substancialmente superior do que outros tubos de subida de leito fluidizado circulante. Devido à densidade de massa elevada no tubo de subida, a temperatura através do tubo de subida inteiro era quase uniforme. As velocidades superficiais do gás testado no tubo de subida estavam na faixa de 20-35 pés/segundo (6,096 a 10,668 m/s) em pressões de operação que estavam na faixa de 160-250 psig (1.103,2 a 1.723,7 kPag).

Tabela 1

Tamanho de Partícula nos Sólidos Circulantes

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Percentagem	Tamanho de Partícula	Tamanho de Partícula
de Massa	(micrômetros)	(micrômetros)
	Carvão Sub-betuminoso	Lignita
10	49	35
20	61	46
30	71	57
40	83	69
50	97	84
60	117	104
70	150	135
80	235	197
90	392	347
95	489	461
100	640	639

Os fluxos saindo dos ciclones presalter e de tubo vertical foram amostrados de forma isocinética. Os resultados a partir dessas amostras em conjunto com as taxas de circulação foram usados para calcular os ciclones 5 individuais e eficiências globais de coleta. Para os testes com diferentes combustíveis em várias condições de processo, a eficiência do ciclone presalter é geralmente maior do que 99,5%. Sob a maioria das circunstâncias, a eficiência do ciclone está entre 99,6 a 99,7%. Com 10 carregamento elevado de sólidos e partículas relativamente maiores na entrada de ciclone presalter, a erosão da parede do ciclone presalter era uma principal preocupação. A parede do ciclone apresentou pouco sinal de erosão após mais do que 6.300 horas de operação. Esse não foi o caso

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33/34 com um ciclone convencional que experimentou grave erosão em uma instalação similar.

As eficiências de coleta globais obtidas durante vários testes foram de aproximadamente 99,95%. O fluxo de gás saindo do gaseificador geralmente estava na faixa de 1.600-1.800°F (871,1 a 982,2°C) e foi resfriado em um resfriador de gás de síntese até 600-1.000°F (315,6 a 537,8°C). O fluxo de gás resfriado foi filtrado com filtros de vela para remover a poeira fina a partir do gás de síntese. O tamanho de partícula médio típico do pó fio (cinza volante) estava entre 10 a 15 micrômetros. Quase toda a perda de carvão de alcatrão a partir do gaseificador é com a cinza volante na corrente de gás saindo do ciclone de tubo vertical. Para carvões de lignita e subbetuminosos, a conversão de carbono no gaseificador foi geralmente maior do que 98%. Os sólidos coletados por intermédio do ciclone presalter fluem para dentro do tubo descendente de perna de vedação; o fluxo de sólidos no tubo descendente de perna de vedação estava na faixa de 100 a 470 libras/pés²s (488,2 a 2.294,7 kg/m²s) dependendo das taxas de circulação de sólido testadas no gaseificador de transporte circulante. As elevadas taxas de fluxo de sólidos foram obtidas quando os sólidos foram completamente aerados e estavam próximo da fração mínima de espaço vazio de fluidização assim como devido à diferença de pressão favorável através da perna de vedação. A fração de espaço vazio e a velocidade de sólidos no tubo descendente de perna de vedação e tubo vertical foram confirmadas mediante diferentes métodos de medição incluindo injeção de traçadores de partículas sólidas e varreduras CAT de

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34/34 correntes fluentes. O bico de aeração do tipo perna em ângulo agudo na perna de vedação e em outros locais em torno do gaseificador de transporte circulante comprovou ser livre de entupimento apesar de muitas paralisações e 5 ligações do gaseificador. As diversas modalidades do gaseificador de transporte apresentadas nas figuras foram testadas na instalação com vários combustíveis em muitas condições de teste de processo, diferentes. Além de testar a invenção de gaseificador de transporte para geração de 10 gás de síntese com diversos carvões, o conceito também foi testado de forma bem-sucedida por quase 5.000 horas como uma câmara de combustão de leito fluidizado circulante pressurizado, denominada câmara de combustão de transporte.

Testes com duas aplicações diferentes, gaseificação e 15 combustão, indicam que as modalidades desenvolvidas nessa invenção podem ser usadas como reator de transporte para algumas outras aplicações exigindo exposição dos reagentes à área de superfície ampla de sólidos e taxas de circulação elevadas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Gaseificador de transporte circulante (100), caracterizado pelo fato de que compreende:

uma zona de misturação tendo uma zona de misturação inferior (200) e uma zona de misturação superior (300), a zona de misturação inferior (200) sendo acoplada a uma seção de entrada de gás inferior (225) e sendo configurada para receber ao menos um agente de gaseificação por intermédio da seção de entrada de gás (225);

a zona de misturação superior (300) sendo acoplada à zona de misturação inferior (200), a zona de misturação superior (300) incluindo uma seção de entrada de gás superior configurada para receber o ao menos um agente

de gaseificação e uma mistura de sólidos circulantes, a zona de misturação superior (300) sendo acoplada ainda a uma alimentação de sólidos; um tubo de subida (400 ) acoplado à zona de

misturação superior (300), o tubo de subida (400) sendo configurado para receber a mistura de sólidos circulantes, o agente de gaseificação e produtos gasosos a partir da zona de misturação superior (300), o tubo de subida (400) compreendendo ainda um joelho (450) acoplando o tubo de subida (400) a um direcionador cruzado inclinado (550), em que os produtos gasosos resultam de uma reação entre a mistura de sólidos circulantes e ao menos um agente de gaseificação;

um ciclone de primeiro estágio (500) acoplado ao direcionador cruzado inclinado (550), o ciclone de primeiro estágio (500) sendo configurado para separar partículas sólidas a partir dos produtos gasosos;

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2/7 uma perna de vedação (900) compreendendo um tubo descendente (910) que conecta uma porção inferior do ciclone de primeiro estágio a uma porção de perna horizontal (930), e uma seção de tubo de subida de perna de vedação vertical (920) conectando a porção de perna horizontal (930) a uma seção inclinada (940), a perna de vedação (900) sendo configurada para receber sólidos a partir do ciclone de primeiro estágio (500);

um ciclone de tubo vertical (600) acoplado a uma saída do ciclone de primeiro estágio (500), o ciclone de tubo vertical (600) sendo configurado para separar partículas mais finas a partir dos produtos gasosos; e um tubo vertical (710) acoplado à seção inclinada (940) da perna de vedação, ao ciclone de tubo vertical (600) e ao ciclone de primeiro estágio (500), o tubo vertical sendo configurado para receber partículas sólidas a partir do ciclone de primeiro estágio (500) através da perna de vedação (900), e as partículas mais finas a partir do ciclone de tubo vertical (600), o tubo vertical (710) sendo configurado ainda para reciclar a mistura de sólidos circulantes para ao menos uma da zona de misturação inferior (200) e da zona de misturação superior (300).

2. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

um arranjo de distribuição de aeração acoplado ao tubo vertical e sendo configurado para facilitar a reciclagem da mistura de sólidos circulantes a partir do tubo vertical para uma válvula não mecânica (800), em que o arranjo de distribuição de aeração está localizado 15,24 a

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45,72 cm (6 a 18 polegadas) abaixo de uma saída de sólidos.

3. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

uma válvula não mecânica (800) configurada para acoplar o tubo vertical (710) à zona de misturação inferior (200) e à zona de misturação superior (300), a válvula não

mecânica ( 800) configurada ainda para reduzir o fluxo reverso de material gasoso para dentro do tubo vertical (710) . 4 . Gaseificador de transporte circulante, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,

caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

uma entrada de oxidante acoplada a uma saída de ao menos um do ciclone de primeiro estágio (500) e do ciclone de tubo vertical (600), a entrada de oxidante sendo configurada para receber um oxidante.

5. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás inferior compreende ainda:

uma garganta acoplada a um tubo revestido de material refratário no formato de U (215, 220, 230) que é acoplado ainda a uma entrada da zona de misturação inferior (200).

6. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que uma seção horizontal do tubo revestido com material refratário no formato de U (215, 220, 230) tem um comprimento de 4 a 8 vezes um diâmetro interno do tubo revestido com material refratado no formato de U (215, 220,

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230) .

7. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a zona de misturação inferior (200) tem um diâmetro pelo menos igual a pelo menos um da zona de misturação superior (300) e do tubo de subida (400) .

8. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de sólidos compreende ainda:

uma pluralidade de bicos configurados para injetar um material carbonáceo, os bicos orientados em um ângulo no sentido para baixo de 15 a 75 graus em relação a uma linha de referência horizontal.

9. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás superior compreende:

uma pluralidade de bicos configurados para injetar o agente de gaseificação na zona de misturação superior, em que a distribuição do agente de gaseificação produz uma liberação de calor substancialmente uniforme.

10. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás superior compreende:

uma pluralidade de bicos configurados com uma direção de fluxo de gás no sentido para cima para dentro do gaseificador, os bicos tendo um bico no sentido para baixo conectado a uma fonte de gás em uma primeira extremidade e a um bico de fluxo no sentido para cima para dentro do gaseificador em uma segunda extremidade formando uma uniãoT; em que uma distância entre a união-T e uma saída de bico

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5/7 para dentro do gaseificador é de 4 a 8 vezes um diâmetro interno do bico no sentido para cima.

11. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a perna de vedação compreende:

um tubo de subida de perna de vedação (930) tendo uma altura de 30,48 a 91,44 cm (12 a 36 polegadas).

12. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1 ou 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

o tubo de descida (910) sendo acoplado a uma saída do ciclone de primeiro estágio (500) e a uma entrada da perna de vedação, o tubo de descida (910) configurado para receber os sólidos a partir do ciclone de primeiro estágio (500), o tubo de descida configurado ainda para manter um nível mínimo de sólidos.

13. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ciclone de tubo vertical (600) compreende:

um localizador de vórtice suportado por um loop de expansão fixado a um invólucro exterior do tubo vertical (710) .

14. Gaseificador de transporte circulante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a válvula não mecânica (800) compreende ainda:

uma perna-L curta configurada para prover uma vedação de sólidos contra um fluxo reverso de gases e uma perna-J longa.

15. Método de usar um gaseificador de transporte circulante, o gaseificador de transporte circulante

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6/7 compreendendo um gaseificador de transporte circulante, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, o método caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de:

controlar o nível de sólidos e uma taxa de fluxo para dentro do tubo vertical (710) mediante controle de um tamanho de partícula de sólidos introduzidos por intermédio do alimentador (1600) de sólidos e remoção de cinza grossa a partir do gaseificador de transporte circulante (100) .

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de manter uma temperatura substancialmente uniforme no gaseificador de transporte circulante mediante circulação dos sólidos.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os sólidos são circulados em uma taxa de 488,2 a 1.953 kg/m²s (100 a 400 libras por pé quadrado por segundo).

18. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

a etapa de distribuir igualmente o agente de gaseificação entre a zona de misturação superior e a zona de misturação inferior.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15 ou

18, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

a etapa de alimentar o agente de gaseificação para dentro da zona de misturação inferior através de um distribuidor de formação de jato em uma velocidade de estrangulamento de 50 a 300 pés/segundo (15,24 a 91,44 m/s).

20. Método, de acordo com a reivindicação 15,

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7/7 caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

a etapa de modular uma temperatura de saída de gaseificador mediante injeção de um oxidante em uma saída de ao menos um do ciclone de primeiro estágio e do ciclone 5 de tubo vertical.