BR112012019105B1 - Processo e sistema de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico a partir de gaseificação de uma matéria-prima contendo carbono seca e sua posterior oxidação e instalação operando tal sistema - Google Patents

Processo e sistema de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico a partir de gaseificação de uma matéria-prima contendo carbono seca e sua posterior oxidação e instalação operando tal sistema Download PDF

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Description

(54) Título: PROCESSO E SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ENERGIA TÉRMICA DE UM SISTEMA DE TRATAMENTO TÉRMICO A PARTIR DE GASEIFICAÇÃO DE UMA MATÉRIA-PRIMA CONTENDO CARBONO SECA E SUA POSTERIOR OXIDAÇÃO E INSTALAÇÃO OPERANDO TAL SISTEMA (51) Int.CI.: C10J 3/80; C10J 3/00; C01B 3/32; B01J 12/00; B01J 7/00; C10J 3/20; F02B 43/08; B01J 23/00 (30) Prioridade Unionista: 01/02/2010 FR 10/00378 (73) Titular(es): SEE - SOLUÇÕES, ENERGIA E MEIO AMBIENTE LTDA (72) Inventor(es): RAYMOND FRANÇOIS GUYOMARCH (85) Data do Início da Fase Nacional: 31/07/2012
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Processo e sistema de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico a partir de gaseificação de uma matéria-prima contendo carbono seca e sua posterior oxidação e instalação operando tal sistema.
A invenção compreende um processo de abastecimento de 5 energia térmica de um sistema de tratamento térmico de matéria prima. Compreende igualmente um sistema executando tal processo e uma instalação de tratamento térmico de matéria prima incluindo tal sistema
O tratamento térmico de matérias primas e /ou de produtos manufaturados úmidos e/ou secos, para sua secagem /desidratação e/ou obtenção de características específicas, é perfeitamente conhecido e codificado pelos diferentes atores da indústria.
O tratamento térmico de matérias úmidas necessita, de uma parte, de um fluxo gasoso de tratamento, também chamado de gás portador de calor, e de outra parte, a energia térmica necessária à realização do tratamento, estando essa energia térmica transferida para a matéria prima a ser tratada, graças ao fluxo gasoso de tratamento.
Os fluxos gasosos de tratamento mais utilizados são o ar quente, gases de combustão incompleta, vapor d’água ou todo gás portador de calor não tendo outro objetivo que não seja o de transportar e difundir sua capacidade térmica ao meio a ser tratado. O dióxido de carbono, CO2, foi objeto de desenvolvimentos importantes como gás portador de calor para o tratamento térmico de matérias contendo carbono devido a suas propriedades tais como a neutralidade e estabilidade química com a maior parte dos meios de tratamento, e as interações particulares que ele desenvolve naturalmente com as matérias contendo carbono, mais particularmente quando as matérias contendo carbono estão úmidas, nas condições especificas dessas interações: temperatura, pressão, grau de saturação de vapor d'água, etc.
A energia térmica necessária ao tratamento das matérias primas é fornecida por meios geralmente chamados “meios térmicos”. Esses processos e sistemas de tratamento térmico são dependentes de um fornecimento externo de energias térmicas
Nos últimos anos, numerosos processos de tratamento térmico de matéria prima foram desenvolvidos para gerar simultaneamente o gás portador de calor CO2, e o calor necessário ao tratamento a partir de matérias contendo carbono secas realizando uma oxicombustão das mesmas. Tal oxicombustão produz por sua vez um fluxo gasoso de CO2 e a energia térmica necessária à realização do tratamento térmico.
Todavia, esses processos e sistemas são novamente dependentes de um fornecimento continuo de oxigênio.
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Em resumo, os processos e sistemas atuais são dependentes:
-seja de um aporte externo continuo de energia térmica necessário ao tratamento,
-seja de um aporte externo contínuo de oxigênio necessário à oxicombustão.
Esses processos e sistemas, entretanto, são altamentes demandantes de energia e têm impacto negativos sobre o meio ambiente.
Um objetivo da presente invenção é o de evitar os inconvenientes citados.
Um outro objetivo da presente invenção é propor um processo e um sistema de abastecimento de um sistema de tratamento térmico de matéria prima menos consumidora de energia.
Um outro objetivo da presente invenção é propor um processo e um sistema de abastecimento de um sistema de tratamento térmico possibilitando tornando livre tal sistema de manter um abastecimento externo contínuo
Finalmente, um objetivo da presente invenção é propor um processo e um sistema de abastecimento de um sistema de tratamento térmico diminuindo os impactos negativos de um tal sistema ao meio ambiente.
A invenção permite obter os objetivos citados por um processo de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico de matéria prima, tal processo compreendendo pelo menos uma iteração das etapas seguintes:
uma gaseificação em um primeiro reator, dito de gaseificação, de matéria prima contendo carbono seca com um fluxo gasoso de gaseificação contendo CO2 a alta temperatura e de oxigênio O2, a dita gaseificação fornecendo um primeiro fluxo gasoso compreendendo CO2, moléculas de monóxido de carbono (CO) e de dihidrogênio (H2) bem como eventualmente vapor d’água (H2Og) oxidação em um segundo reator dito de oxidação por portadores de oxigênio em estado oxidado (MeO), das ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) e de dihidrogênio (H2) presentes no dito primeiro fluxo gasoso, a dita oxidação fornecendo um segundo fluxo gasoso a alta temperatura compreendendo CO2 e vapor d’água (H2Og) e os portadores de oxigênio em estado reduzido (Me), ativação dentro um terceiro reator dito de ativação dos ditos portadores de oxigênio em estado reduzido com um fluxo gasoso compreendendo elementos de oxigênio, a dita oxidação fornecendo portadores de oxigênio em estado oxidado e um excedente de energia térmica, fornecimento de uma parte da energia térmica do dito segundo fluxo gasoso e/ou do dito excedente térmico da dita ativação ao dito sistema de tratamento térmico de matéria prima, e
3/15 elevação em temperatura do fluxo gasoso de gaseificação com pelo menos uma parte do excedente térmico da ativação dos portadores de oxigênio para elevar o dito fluxo gasoso de gaseificação à temperatura de gaseificação.
Na presente descrição:
- fluxo gasoso de gaseificação designa um fluxo gasoso de CO2 utilizado para a gaseificação da matéria prima seca, fluxo gasoso de tratamento designa um fluxo gasoso utilizado pelo sistema de tratamento térmico para realizar o tratamento térmico das matérias primas, e fluxo gasoso de tratamento carregado designa o fluxo gasoso de tratamento na 10 saída do sistema de tratamento, obtido depois do tratamento de uma carga de matéria prima.
Nessa etapa da descrição, a gaseificação da matéria prima seca que é realizada com um aporte de oxigênio puro, uma vez que o processo segundo a invenção é ainda dependente de uma fonte de 02 necessária as necessidades térmicas de dita gaseificação. Detalharemos mais adiante, como o sistema e 0 processo segundo a invenção se libertam da sua dependência de um fornecimento externo de oxigênio.
Por outro lado, fora a matéria prima seca, o processo segundo a invenção não necessita de um aporte continuo de energia térmica e/ou elétrica desde uma fonte de energia externa. A única energia externa consumida pelo processo segundo a invenção é a energia térmica e/ou elétrica pontual necessária à partida da etapa de gaseificação, no inicio do processo. Uma vez desencadeada a gaseificação, o processo segundo a invenção permite fornecer energia suficiente para a realização do conjunto das etapas do processo. Assim, como detalharemos mais adiante na descrição, o calor do segundo fluxo gasoso é suficiente para abastecer o sistema de tratamento térmico de energia térmica. A energia disponível na capacidade térmica do segundo fluxo gasoso e a energia térmica fornecida pela ativação dos portadores de oxigênio é suficiente para elevar 0 fluxo gasoso de gaseificação à temperatura de gaseificação. Toda energia necessária à elevação da temperatura do dito fluxo gasoso de gaseificação, pode ser obtido eventualmente com a complementação térmica fornecida por um aporte de oxigênio (O2) no reator de gaseificação. Esse aporte é então limitado à necessidade térmica adicional, cada molécula de O2 oxida duas moléculas de hidrogênio (H2) e /ou átomos de C para fazer dois H2O e/ou dois CO (ou um e outro em função da composição inicial da matéria prima contendo carbono) gerando assim a energia térmica útil às reações do processo segundo a invenção. Uma nova etapa de gaseificação é assim realizável e portanto uma nova iteração das etapas do processo.
Em um primeiro modo de realização particularmente vantajoso, o fluxo gasoso de tratamento utilizado pelo sistema de tratamento pode compreender pelo menos em parte 0 segundo fluxo gasoso contendo CO2 (liberado ao
4/15 menos em parte do vapor d’água que ele contem. Nesse modo de realização, o fornecimento de ao menos uma parte da energia térmica ao sistema de tratamento térmico pode compreender um fornecimento de ao menos uma parte do segundo fluxo gasoso ao sistema de tratamento térmico de matéria prima. O segundo fluxo gasoso constitui então o meio de transporte da energia térmica ao sistema de tratamento térmico.
Nesse primeiro modo de realização, o processo segundo a invenção fornece o sistema de tratamento térmico não somente em energia térmica mas igualmente em fluxo gasoso de tratamento.
Sempre no primeiro modo de realização, o processo segundo a invenção pode compreender uma etapa de redução da temperatura da dita parte do segundo fluxo gasoso fornecido ao sistema de tratamento térmico antes da sua utilização como fluxo gasoso de tratamento..
A redução da temperatura pode ser realizada por uma troca térmica ou por mistura com um fluxo gasoso contendo CO2 frio.
Sempre no primeiro modo de realização, o processo segundo a invenção pode compreender uma etapa de regulação da concentração de CO2 do segundo fluxo gasoso antes de sua utilização como fluxo gasoso de tratamento no sistema de tratamento térmico. A regulação da concentração de CO2 do segundo fluxo gasoso pode ser realizada por mistura com este último de uma quantidade de CO2 puro, frio (< 20°C) e seco, na proporção desejada
Sempre nesse primeiro modo de realização, o processo segundo a invenção pode compreender uma reciclagem, em circuito fechado de pelo menos uma parte do CO2 presente no fluxo gasoso de tratamento térmico carregado na saída do sistema de tratamento térmico, para constituir pelo menos em parte o fluxo gasoso de gaseificação, a dita reciclagem em circuito fechado compreendendo uma etapa de separação do CO2 do vapor d'água presente no dito fluxo gasoso de tratamento carregado.
Tal reciclagem permite utilizar, pelo menos em parte, um mesmo fluxo gasoso de CO2 ao mesmo tempo tanto como fluxo gasoso de gaseificação como fluxo gasoso de tratamento e de regulação do dito fluxo gasoso de tratamento.
Veremos na seqüência da descrição que esse fluxo gasoso de CO2 pode, de maneira vantajosa, ser fornecido pela gaseificação.
Em um segundo modo de realização, o fornecimento de pelo menos uma parte da energia térmica ao sistema de tratamento pode compreender uma transferência de energia térmica para um fluxo gasoso de tratamento térmico. Nesse caso , a transferência térmica pode ser realizada por trocadores que são conhecidos dos especialistas da matéria.
Sempre nesse segundo modo de realização, o processo
5/15 segundo a invenção pode compreender uma reciclagem, em circuito fechado, de pelo menos uma parte do CO2 do segundo fluxo gasoso para constituir o dito fluxo gasoso de gaseificação.
A reciclagem pode compreender uma etapa de separação 5 do CO2 do vapor d’água presente no segundo fluxo gasoso, por sistemas que são conhecidos dos especialistas da matéria.
Vantajosamente a ativação dos portadores de oxigênio em estado reduzido pode compreender uma oxidação dos ditos portadores em estado reduzido por ar atmosférico pré-aquecido.
No caso do primeiro modo de realização, o préaquecimento do ar atmosférico pode vantajosamente compreender uma transferência de energia térmica desde o fluxo gasoso de tratamento térmico carregado na saída do sistema de tratamento térmico para o dito ar atmosférico após o tratamento térmico.
No caso do segundo modo de realização, o pré15 aquecimento do ar atmosférico pode vantajosamente compreender uma transferência de energia térmica após o segundo fluxo gasoso na saída do segundo reator para o dito ar atmosférico.
No caso do primeiro modo de realização, a transferência de energia térmica desde o fluxo gasoso de tratamento térmico carregado na saída do sistema para o dito ar atmosférico realiza uma separação do CO2 do vapor d’água presente no dito fluxo gasoso de tratamento térmico carregado.
No caso do segundo modo de realização, a transferência de energia térmica desde o segundo fluxo gasoso para o dito ar atmosférico realiza uma separação do CO2 do vapor d’água presente no dito segundo fluxo gasoso
Segundo um outro aspecto da invenção, é proposto um sistema de abastecimento em energia térmica de um sistema de tratamento térmico de matérias primas, compreendendo:
- um primeiro reator de gaseificação de matéria prima contendo carbono seca, com um fluxo gasoso de gaseificação compreendendo CO2 a alta temperatura e adição de oxigênio (O2) permitindo uma eventual complementação térmica útil às reações de gaseificação, o dito reator fornecendo um primeiro fluxo gasoso contendo CO2, moléculas de monóxido de carbono (CO), dihidrogênio (H2) e eventualmente vapor d’água (H2Og)
- um segundo reator de oxidação por portadores de oxigênio em estado oxidado ((MeO), das ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) e de dihidrogênio (H2) presentes no dito primeiro fluxo gasoso, o dito segundo reator fornecendo um segundo fluxo gasoso a alta temperatura contendo CO2 e vapor d’água (H2Og) e portadores de oxigênio em estado reduzido (Me).
- um terceiro reator de ativação dos ditos portadores de oxigênio em estado reduzido
6/15 com um fluxo gasoso contendo elementos de oxigênio, o dito reator fornecendo portadores de oxigênio em estado oxidado e um excedente de energia térmica.
- meios para fornecer ao menos uma parte da energia térmica do dito segundo fluxo gasoso e/ou do dito excedente térmico da dita ativação ao dito sistema de tratamento térmico de matéria prima; e
- meios para elevar de temperatura do dito fluxo gasoso de gaseificação com pelo menos uma parte do excedente térmico de ativação dos portadores de oxigênio para levar o dito fluxo gasoso de gaseificação à temperatura de gaseificação.
O sistema pode, por outro lado, compreender meios mecânicos de transporte dos portadores de oxigênio do segundo reator ao terceiro reator e/ou do terceiro reator ao segundo reator.
Vantajosamente, o sistema segundo a invenção pode conter um circuito de reciclagem em circuito fechado de ao menos uma parte do CO2 presente no segundo fluxo gasoso como sendo o fluxo gasoso de gaseificação, o dito circuito de reciclagem contendo meios de separação do CO2 do vapor d’água.
Em uma versão particularmente vantajosa do sistema segundo a invenção, o circuito de reciclagem liga, pelo menos indiretamente, o segundo reator, o sistema de tratamento térmico, os meios de separação do CO2 do vapor d’água, os meios para elevar em temperatura o fluxo gasoso de gaseificação e o primeiro reator.
Segundo ainda outro aspecto da invenção, é proposto um sistema de tratamento térmico de matéria prima integrando um sistema de abastecimento de energia segundo a invenção.
Segundo ainda outro aspecto da invenção é proposta uma instalação de tratamento térmico de matéria prima contendo um sistema de tratamento térmico de matéria prima e um sistema de abastecimento de energia do dito sistema de tratamento térmico segundo a invenção.
Outras vantagens e características aparecerão pelo exame da descrição detalhada de um modo de realização não limitativo, e das figuras anexas.
a figura 1 é uma representação esquemática de uma primeira versão de uma instalação segundo a invenção, e a figura 2 é uma representação esquemática de uma segunda versão de uma instalação segundo a invenção.
A figura 1 é uma representação esquemática de uma versão preferencial de uma instalação segundo a invenção .
A instalação 100 compreende um sistema de abastecimento 102 de energia térmica de uma instalação de tratamento térmico 104,
O sistema de abastecimento 102 compreende um reator de gaseificação 106, um reator de oxidação 108 e um reator de ativação de portadores de
7/15 oxigênio 110.
O reator de gaseificação 106 comporta uma câmara de alimentação (não representada) de matéria contendo carbono MPCS sob controle de CO2. Essa câmara de alimentação é controlada por CO2 para impedir qualquer entrada de ar no reator de gaseificação 106 e garantir a estanqueidade desse reator de gaseificação. Ele contém uma boca de alimentação (não representada) e um mecanismo de introdução (não representado) das matérias contendo carbono MPCS no reator de gaseificação.
O reator de gaseificação 106 é abastecido, de uma parte, com matéria prima contendo carbono seca MPCS 112 e de outra parte com um fluxo gasoso de gaseificação FGG composto de CO2 a uma temperatura igual ou superior a 1000°C. Eventualmente um complemento térmico pode ser gerado no centro da reação de gaseificação pela introdução de oxigênio (O2) no fluxo gasoso de gaseificação FGG. . Cada mol deste oxigênio introduzido oxida então dois rnols de H2 e/ou dois rnols de C, 0 que gera a energia térmica correspondente no núcleo do reator de gaseificação. Esse complemento eventual permite controlar a regulação térmica das reações no dito reator de gaseificação e aumentar o rendimento das reações no intuito de aumentar a produção final das energias e reações do processo segundo a invenção.
No reator de gaseificação 106, as matérias primas contendo carbono secas MPCS são submetidas ao fluxo gasoso de gaseificação FGG que porta as matérias primas contendo carbono a uma temperatura elevada situada ao redor dos 1.000/1100° C. A essa temperatura, a interação do CO2 com a matéria prima contendo carbono seca é integral. A reação térmica é violenta e instantânea. Os carbonos C que compõem a matéria prima MPCS reagem com o oxigênio molecular O dessa mesma matéria prima contendo carbono MPCS para formar monóxidos de carbono CO segundo a reação
C + O -» CO
Os carbonos residuais da matéria prima contendo carbono seca MPCS são levados à temperatura de entrada do CO2 reativo. Eles são eminentemente oxido-redutores a essa temperatura e reagem com 0 CO2 segundo a reação seguinte, dita “equilíbrios de “BOUDOUART” a 1.000° C.
1C + 1 CO2 = 2CO
O conjunto gasoso, chamado de primeiro fluxo gasoso PFG, saindo do reator de gaseificação 106 está a uma temperatura > a 900°C. Ele é composto de:
CO produzidos pela pirólise das Matérias Primas contendo Carbono Secas (MPCS) e pela conversão do “CO2 reativo” em CO (sobre os carbonos residuais à temperatura optimal de sua propriedade oxido-redutora).
8/15
Η2 liberados durante a decomposição molecular das Matérias Primas contendo Carbono Secas (MPCS) criadas pela pirólise gerada pelo CO2 reativo” à temperatura de 1.000/1.100° C,
H2Og produzido pela oxidação forçada dos H2 úteis ao complemento térmico 5 necessário à pirólise das ditas Matérias Primas contendo Carbono Secas (MPCS).
Eventualmente CO2 excedente do fluxo gasoso de gaseificação FGG.
O excedente de CO2 é o vetor térmico que pode ser utilizado, em complemento ao ”CO2 reativo”, pela necessidade de fornecer energia térmica de gaseificação e aquela endotérmica da (reação de BOUDOUART). Esse primeiro fluxo gasoso PFG está a uma temperatura superior ou igual a 900°C na saída do reator de gaseificação 106.
O primeiro fluxo gasoso PFG é em seguida introduzido no reator de oxidação 108. Este reator de oxidação 108 é abastecido, de uma parte pelo primeiro fluxo gasoso PFG e de outra parte por portadores de oxigênio em estado oxidado ou ativado marcados MeO.
Os portadores de oxigênio ativado MeO oxidam as moléculas de monóxido de carbono CO e o dihidrogênio H2 presentes no primeiro fluxo gasoso PFG, segundo as reações seguintes:
CO+MeO -> CO2 + Me, e
H2 + MeO H2O + Me
Essa oxidação é realizada pela redução dos portadores de oxigênio ativados MeO em portadores de oxigênio desativados Me que trocam seu oxigênio com as moléculas gasosas CO e H2. Com efeito, essas moléculas são eminentemente oxido-redutoras e combustíveis à temperatura de saída do reator 1 de gaseificação 106 que é superior a 900° C.
O conjunto gasoso chamado de segundo fluxo gasoso DFG, que sai do reator de oxidação 108 compreende:
CO2 resultante da reação de oxidação das moléculas de CO,
CO2 presente inicialmente no primeiro fluxo gasoso, e
- H2Og resultante da reação de oxidação das moléculas de H2.
Esse segundo fluxo gasoso DFG sai do reator de oxidação 108 a uma temperatura igual ou superior a 900° C e servirá como fluxo gasoso de tratamento no sistema de tratamento térmico.
Entretanto, o segundo fluxo gasoso DFG na saída do reator 35 de oxidação 108 está a uma temperatura > a 900° C. Ele está, portanto mais quente que o necessário para a maior parte das operações de tratamento térmico para as quais é produzido. Alem disso, ele contem cerca de 34% de vapor d’água (essa taxa é relativa à composição química dos MPCS colocados em operação no reator de gaseificação). É
9/15 conveniente temperar esse fluxo gasoso antes da sua introdução na zona de tratamento térmico do sistema de tratamento térmico 104, por um aporte de CO2 frio e seco, proveniente de um reservatório de CO2 condicionado 114.
O CO2 frio e seco é misturado com o segundo fluxo gasoso DFG por um dispositivo de mistura 116 nas proporções desejadas para obter um fluxo gasoso de tratamento FGT nas condições do dito tratamento.
O fluxo gasoso de tratamento FGT composto de CO2 e de vapor d’água está a uma temperatura igual ou inferior a 200° C no presente exemplo. Esse fluxo gasoso de tratamento é fornecido ao sistema de tratamento térmico 104 de matéria prima.
O sistema de tratamento térmico 104 fornece na saída um fluxo gasoso de tratamento carregado FGTC composto do fluxo gasoso de tratamento FGT e de vapor d’água proveniente da matéria prima tratada. Tendo em conta a produção de energia continua e de seu corolário em CO2 uma parte equivalente de fluxo gasoso de tratamento FGT deve ser eliminada. É na saída do sistema de tratamento térmico 104 que é retirada essa equivalência em fluxo gasoso de tratamento FGTC. Esse CO2 pode ser assim liberado para atmosfera sem prejudicar o meio ambiente já que ele é resultante de material renovável; alem disso, o principal da energia gerada para o processo/sistema segundo a invenção é produzido sem gerar nem expelir CO2 danoso. Este CO2 pode também ser reciclado em outras aplicações após desumidificação e/ou tal como em uma instalação de cultura de micro-algas que produzirá a biomassa “matéria prima”.
O fluxo gasoso de tratamento carregado FGTC reciclado, é fornecido a um sistema refrigerante à absorção 118 assim como um fluxo de ar atmosférico FA. O sistema refrigerante realiza uma troca térmica entre o fluxo gasoso de tratamento carregado FGTC e 0 fluxo de ar atmosférico FA. Essa troca térmica transfere 0 calor do fluxo gasoso de tratamento térmico carregado FGTC ao fluxo de ar atmosférico FA. Essa troca térmica permite refrigerar suficientemente o fluxo gasoso de tratamento térmico carregado FGTC para condensar 0 vapor d’água e separar 0 CO2 do vapor d’água. Na saída, 0 sistema refrigerante fornece água líquida H2OLl um fluxo de ar préaquecido FAP, relativamente à temperatura correspondente ao estagio do tratamento térmico; seja de 30°C a temperatura final do tratamento, que para secar madeira pode ir até 130° C e mais (superior a 300° C se for um processo de tratamento a alta temperatura) e um fluxo de CO2 reciclado anotado FCO2.
O fluxo de ar pré-aquecido FAP é fornecido ao reator 110 de ativação dos portadores de oxigênio desativado. Este reator 110 recebe igualmente os portadores de oxigênio desativados (ou em estado reduzido) Me fornecidos pelo reator de oxidação 108. Esses portadores de oxigênio desativados Me são postos em contato com
10/15 o fluxo de ar atmosférico pré-aquecido FAP. As moléculas de oxigênio O2 presentes no fluxo de ar atmosférico pré-aquecido FAP oxidam (ativam) os portadores de oxigênio desativados segundo a reação seguinte;
Me + Vi O2 -> MeO
Os portadores de oxigênio são ativados e aptos a serem fornecidos ao reator de oxidação 108 para servir em uma nova oxidação.
O reator de ativação 110 fornece na saída portadores de oxigênio ativados MeO que serão fornecidos ao reator de oxidação 108 e um fluxo de ar quente pobre em oxigênio FAA. Esse fluxo de ar pobre de oxigênio FAA ainda é quente e pode ser utilizado por meio de um trocador térmico (não representado) para o condicionamento do fluxo gasoso de tratamento FGT e/ou o pré-aquecimento do fluxo de CO2 reciclado anotado FCO2l antes de sua introdução no trocador E1 do reator de ativação 110.
A reação de oxidação dos portadores de oxigênio sendo muito exotérmica , é criado um importante excedente de energia térmica no reator de ativação 110, que corresponde a mais de 85% do potencial de energia intrínseco dos MPCS utilizados.
Esse excedente térmico é explorado por um primeiro trocador térmico E1 ao qual é fornecida uma parte do fluxo de CO2 anotado FCO2 (frio ou pré-aquecido pelo fluxo FAA em um trocador não representado). O dito CO2 é aquecido a uma temperatura igual ou superior a 1.000°C em um trocador térmico E1. O fluxo gasoso de CO2 obtido na saída desse primeiro trocador térmico E1 é utilizado como fluxo gasoso de gaseificação FGG.
A outra parte do fluxo de CO2 frio (< 20° C) FCO2 é utilizado para alimentar o reservatório 114 de CO2 condicionado.
O excedente térmico criado no reator de ativação 110 é igualmente explorado por um segundo trocador térmico que permite elevar em temperatura um fluxo gasoso de co-geração FGG servindo à geração de energia termodinâmica sob a forma de vapor d’água a alta pressão e alta temperatura para co30 geração de energia mecânica e/ou de eletricidade em um sistema 120 podendo conter um turbo-alternador.
O sistema de abastecimento contem, por outro lado, um dispositivo mecânico 130 que permite transportar os portadores de oxigênio do reator de oxidação 108 ao reator de ativação 110, e vice-versa.
A figura 2 é uma representação esquemática de uma segunda versão de uma instalação segundo a invenção
A instalação 200 representada na figura 2 contem todos os elementos da instalação 100 representada na figura 1.
11/15
A instalação 200 contém, por outro lado, um bio-reator 202 contendo microalgas.
Uma parte do CO2 presente no fluxo gasoso de tratamento carregado FGTC é refrigerada e injetada no bio-reator 202. No bio-reator 202 de cultura de algas, o dióxido de carbono CO2 é utilizado em uma fotossíntese realizada pelas microalgas. A fotossíntese produz de uma parte a biomassa contendo carbono BC, e de outra parte um fluxo gasoso de oxigênio FO2 por separação do elemento carbono «C» da molécula de dioxigênio «O2 ».
A biomassa carbonada BC obtida é fornecida a um sistema 10 de condicionamento de biomassa 204 que pode ser:
um sistema de extração de óleos essenciais, de microalgas de alto teor de lipídios e de moléculas alimentício-farmacêuticas utilizadas na farmacopéia e/ou de hidrocarbonetos para refino . Ao fim desta extração restam cerca de 30% da biomassa sob forma de carvão, que pode ser restituída ao gaseificador 106,
- ou por exemplo um sistema de secagem para ser condicionado antes de ser introduzido no reator de gaseificação 106
O fluxo gasoso de oxigênio FO2 pode ser fornecido ao sistema segundo a invenção, por exemplo, ao nível do reator de gaseificação 102 para complementar a gaseificação da matéria contendo carbono no reator 102. Assim, é obtida a autonomia do processo, libertando-se das fontes externas de oxigênio (como meios térmicos).
Vantajosamente, a produção de biomassa carbonada nesse segundo modo de realização, vem estimular o rendimento global.
Vamos agora descrever o balanço energético do processo 25 segundo a invenção colocado em operação na instalação 100 representada na figura 1, tomando o exemplo de uma carga de um kg de biomassa como matéria prima contendo carbono seca MPCS. A composição química média de um kg de biomassa é a seguinte :
- C » 50%%: ou seja, por 1 kg de MCPS: 0,500 kg ou seja 41,67 moles
Portanto o poder calorífico é
41,67 x 394 kj/mol-16.417,98 kj
- O2 ~ 44 % :ou seja por 1 kg de MCPS : 0,440 kg ou seja 13,75 mois de O2 e portanto 27,50 Ό” e
- H2 » 6% ou seja por 1 kg de MCPS : 0,060 kg ou seja 29,76 mois
Portanto o poder calorífico é
29,76 x 242 kj/mol = 7.201,92 kj
Ou seja um potencial energético intrínseco de 16.417,98 + 7.201,92 = 23.619,90 kj
Na saída do reator de gaseificação
12/15
Observando essa composição, a gaseificação “endógena” desta MCPS no reator de gaseificação 106 gerará:
- 27,50 rnols de CO.
-14,17 rnols de C, e
- 29,76 rnols de H2
Ou seja, para 1 kg de (MCPS/biomassa) 0,830 kg sob forma gasosa e 0,170 kg sob forma de carbono sólido, isto é, de carvão de biomassa.
Esses 14,17 rnols de carbono, a uma temperatura > 1.000°C vão reagir com outro tanto de rnols de CO2 e reduzi-las para formar 28,34 rnols de CO.
A reação termo-química CO2 + C = 2CO é endotérmica segundo as reações
CO2 - 1Λ O2 = CO + O + 283 kj/mol C + 1/2 O2 (de CO2) = CO -111 kj/mol
Ou seja, um déficit térmico de 172 kj/mol de CO2 convertido” por essa reação.
Seja ao final, uma composição para o primeiro fluxo gasoso de:
- 55,84 rnols de CO, logo a energia térmica útil para compensar a necessidade endotérmica é de:
-14,17 rnols de CO2 x 172 kj/mol = 2.437,24 kj + a capacidade térmica das MCPS e do CO2 reativo útil para a gaseificação e à conversão = 1.786,14 kj.
- 29,76 rnols de H2.
Seja uma necessidade energética para a gaseificação de :
2.437,24 + 1.786,14 kj = 4.223,38 kj
A interação molecular nesse meio pirolítico é considerada atérmica. A exotermia da oxidação dos C pelo oxigênio da composição molecular compensa a endotermia de craqueamento das moléculas do sistema. Essa reação deve ser computada para o fluido térmico e da troca térmica geral que fornece a energia útil, em calor sensível para atingir a temperatura da dita pirólise. É também papel do fluido térmico de fornecer a energia de compensação endotérmica (e o oxigênio) da reação dos carbonos que não encontram esse oxigênio na composição molecular de seu meio. O balanço global das reações nesse reator de gaseificação é endotérmica
O aporte térmico útil à geração dessas reações sobre 1 kg (MCPS/biomassa) é de 4.223,38 kj.
Se o dito fluxo gasoso FGG é composto apenas de 14,17 rnols de CO2 úteis à reação de conversão, durante seu trânsito no reator de ativação 110 ele está a uma temperatura superior a 1.000°C, ou seja, uma capacidade térmica
13/15 recuperada de somente : 574,344 kj.
Falta portanto 4.233,38 - 574,344 = 3.649,036 kj de capacidade térmica para as reações no reator de gaseificação 106.
Como veremos na seqüência da demonstração, a energia é disponível (gerada pela cadeia de reações) para fornecer essa capacidade térmica . Isso induz, ao contrario, a transportar essa energia: da fonte ao reator de gaseificação 102, e para isso é necessário um complemento de CO2 reciclado (um aporte externo é então útil à partida do processo).
Para gerar essa energia térmica, pode ser realizada uma 10 injeção de O2 com um fluxo gasoso de gaseificação FGG, na sua entrada em fase reativa no reator de gaseificação 106.
No meio pirolítico segundo a invenção, a 1.000/1.100° C é o hidrogênio molecular que reage inicialmente com o oxigênio disponível, o processo segundo a invenção (nesse caso em pauta) dispõe de 29,762 mois de H2, logo o poder calorífico total é de : 7.202,404 kj.
Se for essa a opção escolhida, 15,079 mois de hidrogênio são então necessários para produzir a capacidade térmica faltante. Cada mol de O2 injetado reagirá com dois mois de hidrogênio para produzir dois mois de H2O, 7,54 mois de O2 são então necessários para compensar a falta de capacidade térmica necessária a essa reação. Restarão 14,683 mois de H2 que reagirão com os CO para obter a seqüência das reações no reator de oxidação 108.
Na saída do reator de oxidacão
O poder calorífico de 14,683 mois de H2 é de :
14,683 x 242 kj/mol = 3,553,286 kj e
O poder calorífico de 55,84 mois de CO é de:
55,84 x 283 kj/mol - 15.802,72 kj.
A oxidação dos CO e H2 presentes no primeiro fluxo gasoso PFG provenientes do reator de oxidação 106 é exotérmica de :
15.802.72 + 3.553,286 - 19.356,008 kj
Enquanto por exemplo o portador de oxigênio é o NiO (NiO estado ativado e Ni estado desativado) é necessário 70,523 mois de MeO para oxidar os 55,84 mois de CO e os 14,683 mois de H2. A redução de 70,523 mois MeO em 70,523 mois Me, tomando o exemplo NiO em Ni é endotérmica de:
70,523 mois x 244,30 kj/mol = 17.066,566 kj
Finalmente, o balanço térmico da reação no reator de oxidação é exotérmico e gera: 2.289,442 kj
O segundo fluxo gasoso DFG saindo do reator de oxidação é composto do CO2 resultante da reação + eventualmente o CO2 “excedente” termo
14/15 portador + o vapor de água gerado pela oxidação de H2, ou seja:
2,457 kg de CO2 saídos da reação (55,84 rnols, 1,252 Nm3) +
0,536 kg de H2Og saído da reação (29,76 rnols, 0,667 Nm3) ou seja 22% em massa e 53% em volume.
Esse segundo fluxo gasoso DFG está a uma temperatura >
900°C e contém uma energia térmica importante: 3.573,083 kj de capacidade térmica + 2.228,951 kj de entalpia dos 29,762 rnols (H2Og) que serão condensados em H2O líquido, ou seja: 5.802,034 kj
Essa energia térmica é utilizada em um sistema trocador 10 térmico 116 para gerar o fluxo gasoso de tratamento FGT. O dito fluxo gasoso de tratamento FGT compreende essencialmente::
a parte do segundo fluxo gasoso DFG que será conservada depois de haver trocado sua capacidade térmica no dito trocador 116, com CO2 frio e seco (proveniente da estocagem 114) e que terá sido em parte desumidificado durante a dita troca térmica.
- A parte do CO2 seco, proveniente da estocagem 114, que terá servido de fonte fria no trocador térmico 116, que será utilizada para temperar o dito fluxo gasoso de tratamento FGT.(segundo a necessidade em desumidificação e resfriamento, o dito CO2 seco, proveniente da estocagem 114 pode ser excedente. O excedente é então reintroduzido no sistema refrigerante 118 para ser reciclado).
O dito fluxo gasoso de tratamento FGT será então levado à temperatura requerida para o tratamento das matérias primas (temperatura útil: de 30 a > 300°C e mais para os tratamentos a altas temperaturas) e sua umidade residual será mínima.
A essa etapa do sistema e processo segundo a invenção, o balanço térmico já é positivo de:
> - 4.223,38 kj de aporte térmico às reações do reator de gaseificação para 1 kg (MPCS/biomassa) > + 2.289,442 kj de exotermia ao reator de oxidação do primeiro fluxo gasoso “combustível” > + 5.802,034 kj de capacidade térmica disponível pelo segundo fluxo gasoso DFG saindo do reator de oxidação
Ou seja, um total positivo, por kg de MPCS biomassa utilizada de:
2,289,442 kj + 5.802,034 = 8.091,476-4.223,38 kj = 3.868,096 kj
Na saída do reator de ativação
A reativação dos Me em MeO é exotérmica : 244,30 kj/mol. No exemplo, temos 70,523 rnols de Me por kg de MPCS de biomassa utilizada. Seja um potencial térmico, gerado nesse reator de ativação, de:
15/15 +17.228.769 kj/kg de MPCS.de biomassa utilizada ,
É pelo o trocador E1 que o CO2 de gaseificação vai adquirir sua capacidade térmica (seja: 4.223,38 kj/kg de MPCS, levando em conta o balanço precedente.
O saldo energético final das reações e trocas do sistema/processo segundo a invenção é de:
3.868,096 + 17.228,769 = 21.096,865 kj/kg de MCPS.
Seja ainda 89% do potencial energético da matéria prima.
A totalidade dessa energia é disponível para a aplicação e a produção de energia de funcionamento do sistema e processo segundo a invenção.
É essa energia disponível que vai ser explorada para possibilitar o tratamento das matérias primas em um sistema de tratamento térmico. Uma grande parte dessa energia é excedente, e pode ser usada para a co-geração das energias, úteis às aplicações concernentes, mecânicas e/ou convertidas em eletricidade.
Na presente invenção o sistema de tratamento térmico das matérias primas pode ser um sistema de:
-» Secagem:
• De toda matéria prima a desumidificar e/ou a desidratar antes de ser utilizada em um processo manufaturado , · De toda matéria prima e/ou produto manufaturado devendo ser seco antes de ser utilizada e/ou condicionada, + Tratamento térmico:
• De toda matéria prima sensível (em sua composição) à interação do CO2 e devendo ser submetida ao calor difuso da maneira a mais homogênea possível e/ou a temperaturas elevadas (até 1.000/1100° C e mais em função da interação exigida pelo CO2 termo-portador, com cinéticas otimizadas) antes da sua utilização em um processo manufaturado, • De toda matéria prima e/ou produto manufaturado devendo ser tratado termicamente (para todas as modificações/neutralizações termo-químicas e/ou termo-físicas antes da utilização e/ou condicionamento......
Seguramente a invenção não é limitada aos exemplos que foram descritos.
1/3

Claims (3)

  1. Reivindicações
    1. Processo de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico (104) de matéria prima, o dito processo caracterizado por compreender:
    5 - uma gaseificação em um primeiro reator (106) dito de gaseificação de matéria prima contendo carbono seca (MPCS) com um fluxo gasoso de gaseificação (FGG) contendo CO2 a alta temperatura e oxigênio (O2), a dita gaseificação fornecendo um primeiro fluxo gasoso (PFG) contendo essencialmente moléculas de monóxido de carbono (CO), de dihidrogênio (H2) e eventualmente de vapor d’água (H2Og).
    10 - oxidação num segundo reator (108) dito de oxidação por portadores de oxigênio em estado oxidado (MeO), das ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) e de dihidrogênio (H2) presentes no dito primeiro fluxo gasoso (PFG), fornecendo à dita oxidação um segundo fluxo gasoso (DFG) a alta temperatura, contendo CO2 e vapor d’água (H2Og) e portadores de oxigênio em estado reduzido (Me).
    15 - ativação em um terceiro reator (110), dito de ativação, dos ditos portadores de oxigênio em estado reduzido com um fluxo gasoso (FAP) contendo elementos de oxigênio, a dita oxidação fornecendo portadores de oxigênio em estado oxidado (MeO) e um excedente de energia térmica,
    - fornecimento de uma parte da energia térmica do dito segundo fluxo gasoso (DFG) e/ou
    20 do dito excedente térmico da dita ativação ao dito sistema de tratamento térmico (104) de matéria prima, e
    - elevação em temperatura do fluxo gasoso de gaseificação (FGG) com ao menos uma parte do excedente térmico da ativação dos portadores de oxigênio para levar o dito fluxo gasoso de gaseificação (FGG) à temperatura de gaseificação.
    25 2. Processo segundo a reivindicação 1, caracterizado pelo fornecimento de pelo menos uma parte da energia térmica ao sistema de tratamento térmico (104) compreendendo o fornecimento de pelo menos uma parte do segundo fluxo gasoso (DFG) ao sistema de tratamento térmico (104) de matéria prima para uma utilização como fluxo gasoso de tratamento térmico (FGT).
    30 3. Processo segundo a reivindicação 2, caracterizado por compreender uma diminuição da temperatura do dito fornecimento de ao menos uma parte do segundo fluxo gasoso (DFG) antes da utilização como fluxo gasoso de tratamento (FGT)
    4. Processo segundo qualquer uma das reivindicações 2 ou
    35 3, caracterizado por compreender uma reciclagem em circuito fechado de ao menos uma parte do CO2 presente no fluxo gasoso de tratamento térmico carregado (FGTC) na saída do sistema de tratamento térmico (104). Para constituir pelo menos em parte o dito fluxo gasoso de gaseificação (FGG) a dita reciclagem em circuito fechado
  2. 2/3 compreendendo uma etapa de separação do CO2 do vapor d’água (H2Og) presente no dito fluxo gasoso de tratamento carregado (FGTC).
    5. Processo segundo a reivindicação 1, caracterizado pelo fornecimento de pelo menos uma parte da energia térmica ao sistema de tratamento térmico (104) compreendendo uma transferência da energia térmica para um fluxo gasoso de tratamento térmico.
    6. Processo segundo a reivindicação 5, caracterizado por compreender uma reciclagem em circuito fechado de ao menos uma parte do CO2 do segundo fluxo gasoso (DFG) para constituir o dito fluxo gasoso de gaseificação.
    7. Processo segundo qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado em que a ativação dos portadores de oxigênio em estado reduzido (Me) compreende uma oxidação dos ditos portadores de oxigênio em estado reduzido (Me) por ar atmosférico pré-aquecido (FAP),
    8. Processo segundo a reivindicação 7, caracterizado em que o pré-aquecimento do ar atmosférico compreende uma transferência de energia térmica após o fluxo gasoso de tratamento térmico carregado (FGTC) na saída do sistema de tratamento térmico para o dito ar atmosférico.
    9. Processo segundo as reivindicações 4 e 8, caracterizado em que a transferência de energia térmica depois que o fluxo gasoso de tratamento térmico carregado (FGTC) na saída do sistema de tratamento térmico (104) para o dito ar atmosférico (FA) realiza uma separação do CO2 do vapor d’água (H2Og) presente no dito fluxo gasoso de tratamento térmico carregado (FGTC)
    10. Sistema (102) de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico (104) de matéria prima, o dito sistema caracterizado por compreender:
    -um primeiro reator (106) de gaseificação de matéria prima contendo carbono seca (MPCS) com um fluxo gasoso de gaseificação (FGG) contendo CO2 a alta temperatura, o dito reator (106) fornecendo um primeiro fluxo gasoso (PFG) contendo CO2, moléculas de monóxido de carbono (CO), de dihidrogênio (H2) e eventualmente de vapor d’água (H2Og),
    - um segundo reator (108) de oxidação por portadores de oxigênio em estado oxidado (MeO) das ditas moléculas de monóxido de carbono (CO) e de dihidrogênio (H2) presente no dito primeiro fluxo gasoso (PFG), fornecendo o dito segundo reator (108) um segundo fluxo gasoso (DFG) a alta temperatura contendo CO2 e vapor d’água (H2Og) e portadores de oxigênio em estado reduzido (Me),
    - um terceiro reator (110) de ativação dos ditos portadores de oxigênio em estado reduzido (Me) com um fluxo gasoso (FA) contendo elementos de oxigênio, o dito reator (110) fornecendo portadores de oxigênio em estado oxidado (MeO) e um excedente de
  3. 3/3 energia térmica,
    - meios de regulação da temperatura do fluxo gasoso de tratamento (FGT) para fornecer ao menos uma parte da energia térmica do dito segundo fluxo (DFG) e/ou do dito excedente térmico da dita ativação ao dito sistema de tratamento térmico 104 de matéria prima, e
    - meios (E1) para elevar a temperatura do dito fluxo gasoso de gaseificação (FGG) com pelo menos uma parte do excedente térmico da ativação dos portadores de oxigênio para levar o dito fluxo gasoso de gaseificação (FGG) à temperatura de gaseificação.
    11. Sistema segundo a reivindicação 10, caracterizado por conter meios mecânicos (130) de transporte de portadores de oxigênio do segundo reator (108) ao terceiro reator (110) e/ou do terceiro reator (110) ao segundo reator (108).
    12. Sistema segundo qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado por compreender um circuito de reciclagem em circuito fechado de ao menos uma parte do CO2 presente no segundo fluxo gasoso (DFG) tanto como o fluxo gasoso de gaseificação FGG, o dito circuito de reciclagem contendo meios (118) de separação do CO2 do vapor d'água (H2Og).
    13. Sistema segundo a reivindicação 12, caracterizado em que o circuito de reciclagem interliga, ao menos indiretamente o segundo reator (108), o sistema de tratamento térmico (104), os meios (118) de separação do CO2 do vapor d’água (H2Og), os meios (E1) para elevar em temperatura o fluxo gasoso de gaseificação (FGG) e o primeiro reator (106).
    14. Sistema de tratamento térmico de matérias prima integrando um sistema de abastecimento de energia e um fluxo gasoso de tratamento (FGT) caracterizado por ser conforme qualquer uma das reivindicações de 10 a 13.
    15. Instalação (100) de tratamento térmico de matéria prima compreendendo um sistema de tratamento térmico (104) de matéria prima e um sistema (102) de abastecimento de energia do dito sistema de tratamento térmico caracterizado por ser conforme qualquer uma das reivindicações de 10 a 14.
    1/2
    FIGURA 1
    420
    2/2
    204
    FIGURA 2
BR112012019105-5A 2010-02-01 2010-10-08 Processo e sistema de abastecimento de energia térmica de um sistema de tratamento térmico a partir de gaseificação de uma matéria-prima contendo carbono seca e sua posterior oxidação e instalação operando tal sistema BR112012019105B1 (pt)

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