BR112012032432B1

BR112012032432B1 - Método para processamento de carga carbonácea particulada e usina para simultanea moagem e pirólise de carga carbonácea particulada

Info

Publication number: BR112012032432B1
Application number: BR112012032432-2A
Authority: BR
Inventors: Chun-Zhu Li; Xiaoshan Wang; Hongwei Wu
Original assignee: Curtin University Of Technology
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2019-02-12
Also published as: JP5925195B2; CA2803019C; EP2585556B1; US9994774B2; ES2773942T3; JP2013529690A; WO2011160163A1; AU2011269715A1; AU2011269715B2; NZ604562A; US20130199919A1; CN103140569B; BR112012032432A2; SG186752A1; EP2585556A4; CA2803019A1; EP2585556A1; CN103140569A

Abstract

método para processamento de carga carbonácea particulada e usina para simultanea moagem e pirólise de carga carbonácea particulada. a presente invenção descreve uma planta de pirólise (20) que compreende um pirolisador de moagem (22), sendo uma máquina ou aparelho, no qual tanto a redução do tamanho de partícula e a pirólise ocorrem simultaneamente. a planta (20) também inclui uma caixa (30) para a manter a carga de biomassa particulada úmida. a calha (32) conduz a partir da caixa (30) para um secador de biomassa (34) que reduz o teor de humidade da carga para abaixo de cerca de 10% em peso. a carga seca é transportada do secador (34) através da linha (36) para uma tremonha de carga de biomassa seca (38). a carga seca é alimentada a partir de tremonha (38) para um calha (40), que leva a um munhão de entrada (42) do pirolisador de moagem (22). um munhão de descarga (44) do pirolisador de moagem (22) conduz a um aparador de carbono (60) para a coleta de partículas de carbono e um trem de condensação (62) para condensar o vapor gerado pela pirólise para a produção de óleo.

Description

MÉTODO PARA PROCESSAMENTO DE CARGA CARBONÁCEA PARTICULADA E USINA PARA SIMULTÂNEA MOAGEM E PIRÓLISE DE CARGA CARBONÁCEA PARTICULADA

Campo da invenção [001] A presente invenção se refere a um método e um sistema para moagem pirolítica de carga carbonácea particulada assim como, mas não limitado a, biomassa ou carvão, particularmente embora não exclusivamente, para a produção de uma ou mais de uma combinação de: vapor orgânico, líquido orgânico (frequentemente na forma de óleo) e carbono.

Antecedentes da Invenção [002] A pirólise se refere à decomposição térmica de substâncias (carga) pelo aquecimento em um ambiente deficiente de oxigênio. Os processos de pirólise são geralmente divididos em pirólise lenta e rápida de acordo com a velocidade na qual a carga é aquecida. O método tradicional de produção de carvão vegetal é considerado um processo de pirólise lenta; ele dá uma produção líquida de tipicamente cerca de 30% (com base na massa seca). A pirólise rápida de carga, por outro lado, dá uma produção muito maior de líquido, amplamente relatada como sendo acima de 60% (com base na massa seca). Consequentemente, a pirólise rápida é vantajosa em relação à pirólise lenta quando o produto alvo de uma carga carbonácea é o líquido orgânico.

[003] Algumas das tecnologias de pirólise rápida alcançaram escala de demonstração (ex., leito fluidizado, vácuo). Entretanto, essas tecnologias podem ter restrições técnicas e econômicas substantivas em escala comercial. Por exemplo, pirolisadores de leito fluidizado requerem o uso de partículas muito finas, tipicamente com menos de 2 mm de diâmetro, mas a preparação de partículas tão finas de carga usual mente incorre em altos custos. Outra séria deficiência dos leitos fluidizados é que é requerido um grande volume de gás inerte de modo a fluidizar os sólidos inertes e levar o carbono resultante para fora do reator. Muitos problemas estão associados ao uso de um grande volume de gás inerte. Por exemplo, a pressão parcial do vapor orgânico pode se tornar extremamente baixa devido à diluição do gás inerte, o que torna difícil esfriar e coletar os componentes orgânicos. Em adição, um fluxo de gás em alta velocidade leva à formação de aerossóis que são extremamente difíceis de coletar. Além disso, o gás de pirólise não condensado gerado nesse processo

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 11/40

2/16 também é diluído pelo grande volume de gás inerte, o que torna a utilização direta desse gás mais problemática (ex., instalações de combustão para gerar calor). O contínuo aquecimento (antes de entrar no leito fluidizado) e subsequente resfriamento (para condensar o vapor orgânico como bio-óleo) do gás inerte reduz bastante a eficiência geral do processo.

Sumário da Invenção [004] Um aspecto da invenção fornece um método de processamento de carga carbonácea particulada compreendendo:

submeter simultaneamente a carga a um processo de redução de tamanho de partícula e pirólise.

[005] O processo de redução de tamanho pode compreender tanto moer quanto esmagar a carga ou ambos.

[006] O processo de redução de tamanho pode compreender contatar repetidamente a carga com um ou mais objetos rígidos.

[007] O contato da carga com um ou mais objetos rígidos pode compreender impactar a carga com esses um ou mais objetos.

[008] Esses um ou mais objetos podem ser fornecidos como meio de moagem composto de uma pluralidade de objetos separados e livremente movíveis e impactar repetidamente a carga e compreender conferir impulso ao meio de moagem e fazer com que o meio de moagem impacte a carga.

[009] O método pode compreender fornecer um recipiente no qual o processo de redução de tamanho e a pirólise ocorram, e inserir a carga no recipiente, o recipiente tendo um volume V e um diâmetro D.

[010] O método pode compreender fornecer o meio de moagem no recipiente e girar o recipiente.

[011] O método pode compreender fornecer o meio de moagem em uma quantidade para ocupar de 10% a 50% do volume V do recipiente.

[012] O método pode compreender girar o recipiente a uma velocidade de 55% a 90% de uma velocidade crítica CS no qual:

CS= 42,3/D⁰·⁵ rpm.

[013] O método pode compreender fornecer os objetos como objetos feitos de sílica, seixo ou aço.

[014] O método pode compreender fornecer um revestimento de aço, sílica ou refratário no interior do recipiente.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 12/40

3/16 [015] O método pode compreender fornecer uma alimentação contínua de meios de moagem através do recipiente.

[016] A pirólise pode compreender transferir calor dos objetos para a carga através de condução e convecção.

[017] O método pode compreender aquecer os objetos antes que os objetos entrem em contato com a carga.

[018] O método pode compreender usar calor residual de um processo de aquecimento dos objetos para secar a carga antes de entrar em contato com os objetos.

[019] O método pode compreender aquecer os objetos enquanto os objetos estão em contato com a carga.

[020] Em uma representação a pirólise compreende aquecer o recipiente.

[021] O método pode compreender gerar calor para a pirólise queimando gases não condensáveis produzidos por pirólise da carga.

[022] O método pode compreender conduzir a pirólise a uma temperatura para maximizar a produção de óleo. Em um exemplo isso compreende conduzir a pirólise a uma temperatura entre 350°C e 650°C.

[023] O método pode compreender conduzir a pirólise a uma temperatura suficiente para causar a torrefação da carga. Em um exemplo isso compreende conduzir a pirólise a uma temperatura abaixo de 320°C.

[024] Em uma representação o método compreende fornecer oxigênio limitado no interior do recipiente para permitir a combustão parcial de voláteis e/ou carbono produzido pela pirólise da carga para gerar pelo menos uma parte do calor para a pirólise da carga.

[025] Em uma representação o método compreende condensar vapor orgânico gerado pela pirólise para formar óleo.

[026] Em uma representação o método compreende condensar vapor orgânico gerado pela pirólise no carbono gerado pela pirólise para produzir mistura de óleo/carbono.

[027] Em uma representação alternativa o método compreende condensar vapor orgânico gerado pela pirólise para produzir óleo e misturar o carbono gerado pela pirólise para produzir uma pasta de óleo/carbono.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 13/40

4/16 [028] Em uma representação o método compreende alimentar produtos gerados pela pirólise da carga como um combustível para um sistema de combustão ou gaseificação. Essa representação pode ainda compreender usar o sistema de combustão ou gaseificação como uma fonte de calor para a pirólise.

[029] Em uma representação o método compreende alimentar produtos gerados pela pirólise da carga a uma caldeira ou gaseificador como um combustível de combustão conjunta.

[030] Um segundo aspecto da invenção fornece uma usina para a simultânea moagem e pirólise de carga carbonácea particulada compreendendo:

uma máquina capaz de reduzir o tamanho da partícula da carga; e, uma fonte de calor capaz de aquecer a carga enquanto a máquina opera para reduzir o tamanho da partícula da carga para executar a pirólise da carga.

[031] A máquina pode compreender uma máquina de moagem ou uma máquina de fresar.

[032] A máquina pode compreender um meio de moagem na forma de uma pluralidade de objetos separados e livremente movíveis e um recipiente no qual o meio de moagem e a carga entram em contato um com o outro para executar a redução do tamanho da partícula da carga.

[033] A máquina pode operar por rotação do recipiente para conferir movimento ao meio de moagem e fazer com que o meio de moagem impacte repetidamente a carga.

[034] A usina pode compreender um mecanismo que circule o meio de moagem através do recipiente.

[035] O meio de moagem, quando dentro do recipiente, pode ocupar de 10% a 50% do volume V do recipiente.

[036] O recipiente pode ser girado a uma velocidade de 55% a 90% de uma velocidade crítica CS no qual:

CS = 42,3/D^{0 5} rpm, onde D é o diâmetro interno do recipiente em metros.

[037] A fonte de calor pode ser preparada para aquecer o meio de moagem antes do meio de moagem contatar a carga.

[038] Alternativamente ou adicional mente a fonte de calor pode operar para aquecer o recipiente.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 14/40

5/16 [039] A fonte de calor pode compreender um queimador e um sistema de alimentação de gás para alimentar o gás e vapor não condensados da pirólise da carga para o queimador.

[040] A usina pode compreender um condensador através do qual gases e vapores da pirólise da carga são retirados do pirolisador para condensar e capturar componentes orgânicos dos vapores da pirólise.

[041] Em uma representação a fonte de calor pode ser preparada para fornecer uma temperatura de pirólise para maximizar a produção de óleo. Em um exemplo isso compreende a fonte de calor fornecer uma temperatura de pirólise entre 350°C e 650°C.

[042] Em uma representação alternativa a fonte de calor pode ser preparada para fornecer uma temperatura de pirólise suficiente para causar a torrefação da biomassa. Como um exemplo a fonte de calor pode ser preparada para fornecer uma temperatura de pirólise abaixo de 320°C.

[043] Em uma representação a usina pode ser preparada para condensar vapor orgânico gerado pela pirólise no carbono gerado pela pirólise para produzir uma mistura ou pasta de óleo/carbono.

[044] Em uma representação a usina é parte de um sistema de combustão ou gaseificação tendo um combustor ou gaseificador, a usina sendo preparada para alimentar produtos gerados pela pirólise da carga como um combustível para o combustor ou gaseificador. Essa representação também pode compreender fornecer calor gerado pelo combustor ou gaseificador como uma ou a fonte de calor para a pirólise.

[045] Em uma representação a usina pode ser preparada para alimentar produtos gerados pela pirólise da carga a uma caldeira ou gaseificador como um combustível de combustão conjunta.

Breve Descrição dos Desenhos [046] Representações da presente invenção serão agora descritas a título de exemplo apenas com referência aos desenhos anexos nos quais:

[047] A Figura 1 é uma representação esquemática do efeito em uma partícula de carga carbonácea em uma representação do presente método e sistema de processamento de carga carbonácea particulada;

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 15/40

6/16 [048] A Figura 2 é uma representação esquemática de uma representação de um sistema e método para processamento de carga carbonácea particulada de acordo com a presente invenção;

[049] A Figura 3 é uma representação esquemática de uma segunda representação de um método e sistema de processamento de carga carbonácea particulada de acordo com a presente invenção; e [050] A Figura 4 é uma representação esquemática de uma terceira representação de um método e sistema de processamento de carga carbonácea particulada de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada de Representações Preferidas [051] Em sua forma mais abrangente, representações do presente método e sistema de moagem e pirólise de carga carbonácea particulada compreendem sujeitar carga carbonácea particulada a simultânea redução de tamanho de partícula e pirólise. As presentes representações são descritas no contexto de carga de biomassa particulada, entretanto representações podem ser aplicadas a ou operáveis em relação a outras formas ou tipos de carga carbonácea. A pirólise tem o efeito de formar uma camada de carbono em uma partícula de biomassa e produzir vapores orgânicos. Um processo de redução de tamanho de partícula quebra a camada de carbono de uma partícula de biomassa reduzindo assim o tamanho daquela partícula e expondo uma camada externa relativamente fresca da partícula. A pirólise da partícula de biomassa de tamanho reduzido novamente resulta na formação de uma camada de carbono na recém exposta superfície externa e posterior produção de vapor orgânico. Essa camada de carbono é quebrada pelo processo de redução de tamanho da partícula. Dessa forma a pirólise auxilia o processo de redução de tamanho da partícula através da formação de uma camada de carbono que é relativamente quebradiça, i.e., mais passível de moagem do que a biomassa original, e assim mais facilmente removida no processo de redução de tamanho da partícula. Devido ao processo de redução de tamanho da partícula, sequenciais camadas relativamente “frescas” de uma partícula de biomassa são expostas diretamente ao processo de pirólise permitindo assim que a pirólise ocorra no próprio núcleo de uma partícula de biomassa e camadas sequenciais a um rápido índice. Acredita-se que isso também resulta na geração de volumes máximos de vapores orgânicos, aumentando assim a

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 16/40

7/16 produção total de bio-óleo. Dependendo dos aspectos estruturais da biomassa, a fragmentação das partículas de biomassa pirolisadas pode ocorrer de uma forma mais aleatória do que a descrita acima.

[052] A Figura 1 é uma ilustração conceituai da representação acima descrita do método e sistema para a simultânea moagem e pirólise de carga de biomassa particulada. Uma partícula 10a de carga de biomassa hipotética de formato esférico e raio R_a é mostrada antes do processamento. Enquanto na prática a redução de tamanho da partícula e pirólise ocorrem simultaneamente, para facilitar a descrição nessa Figura, o efeito desses dois processos é mostrado separadamente. Quando a partícula 10a é inicialmente sujeita à pirólise P1, uma camada de carbono 12b é formada ao redor da partícula para formar a partícula processada 10b. A partícula 10b é submetida ao processo de redução de tamanho da partícula C1. Isso tem o resultado de quebrar a camada de carbono 12b e formar a partícula processada 10c. A camada de carbono 12b é quebrada em partículas de carbono mais finas 14. Como resultado do processo de redução de tamanho da partícula C1, a partícula 10c tem agora uma superfície externa relativamente fresca ou não calcinada 16c. A pirólise continua na etapa P2 resultando na superfície 16c sofrendo pirólise e formando uma camada de carbono 12d. A camada de carbono 12d começa a partir da superfície externa 16c e se estende radialmente para dentro formando a partícula processada 10d. O processo de redução do tamanho da partícula C2 resulta na camada de carbono 12d sendo quebrada formando outras finas partículas de carbono 14 e criando uma outra partícula de biomassa processada 10e tendo uma superfície externa 16e que é recém exposta ao processo de pirólise. O processo de pirólise P3 cria ainda uma outra camada de carbono 12f e partícula processada 10f. O processo de redução de tamanho da partícula C3 resulta na camada de carbono 12f sendo quebrada e formando outras finas partículas de carbono 14. Um miolo da partícula processada 10f é agora de um tamanho em que o processo de redução de tamanho C3 quebra a partícula remanescente 10f em múltiplas partículas menores 10g cada uma das quais pode agora ser completamente pirolisada. As partículas pirolisadas 10g são novamente submetidas ao processo de redução de tamanho da partícula e quebradas em adicionais partículas de carbono finas 14. Concomitante com o processo acima é a produção de gás de pirólise incluindo vapor orgânico. Note

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 17/40

8/16 se que a partícula pode fragmentar em qualquer estágio do processo de impactação e moagem.

[053] Como descrito mais detalhadamente abaixo, representações do método e sistema utilizam uma máquina ou dispositivo no qual o processo de redução de tamanho da partícula e a pirólise ocorrem simultaneamente. Essa máquina ou dispositivo usa um ou mais objetos rígidos para contatar e mais particularmente impactar repetidamente a biomassa particulada enquanto a biomassa é sujeitada à pirólise. Os objetos rígidos podem ser ou fixados no interior da máquina ou dispositivo assim como um moinho de martelo, ou podem ser separados e livremente movíveis assim como em um moinho de bolas. Em qualquer um dos casos, a pirólise é alcançada através da transferência de calor para a biomassa enquanto ela está sendo contatada pelos objetos rígidos. A transferência de calor pode ser por pré-aquecimento dos próprios objetos que contatam a biomassa, ou aquecendo-se externamente a máquina ou dispositivo no qual ocorre a redução de tamanho da partícula, ou uma combinação de ambos. Quando a redução de tamanho da partícula é efetuada através do uso de objetos separados e livremente movíveis tais como bolas em um moinho de bolas, a transferência de calor pode ser efetuada aquecendo-se os objetos antes que eles entrem em contato com a biomassa, e circulando os objetos através da máquina ou dispositivo no qual ocorre a redução de tamanho da partícula e pirólise. Prevê-se ainda que o calor requerido para o processo de pirólise é gerado pelo menos em parte pela queima de gases não condensáveis produzidos pelo processo de pirólise. Outras representações preveem a secagem da biomassa antes do processo simultâneo de redução de tamanho da partícula e pirólise. A secagem pode ser efetuada usando calor residual do aquecimento dos objetos.

[054] A Figura 2 ilustra uma representação de uma usina 20 e método associado para a simultânea moagem e pirólise da biomassa particulada. A usina 20 compreende um pirolisador de moagem 22, sendo uma máquina ou dispositivo no qual a redução de tamanho da partícula e a pirólise ocorram simultaneamente. Nessa representação em particular, o pirolisador de moagem 22 compreende um moinho de bolas 24 tendo um recipiente rotativo ou tambor 26. O moinho de bolas 24 também compreende uma pluralidade de objetos rígidos na forma de bolas 28 que juntos constituem o meio de moagem. Como

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 18/40

9/16 explicado mais detalhadamente mais tarde, o meio de moagem 28 pode circular através do moinho de bolas 24.

[055] A usina 20 também compreende uma caixa (depósito alimentador) 30 para conter carga de biomassa particulada úmida. O termo “úmido” no presente contexto quer significar que a carga contém um conteúdo relativamente alto de umidade e não que a carga esteja coberta por ou de outra forma tenha água na superfície. A carga de biomassa particulada pode, por exemplo, estar na forma de lascas de madeira. Uma calha 32 leva da caixa 30 a um secador de biomassa 34. A carga de biomassa pode ter um alto conteúdo de umidade, ex., até cerca de 60%. O objetivo do secador 34 é de reduzir o conteúdo de umidade da carga para o mais baixo possível, ex., abaixo de cerca de 10%. A temperatura do meio de aquecimento usado no secador 34 é controlada de modo que a carga de biomassa não sofra nenhuma reação termoquímica significativa (i.e., pirólise) no secador.

[056] A carga seca é transportada do secador 34 via linha 36 para um depósito alimentador de carga de biomassa seca 38. A carga seca é alimentada do depósito alimentador 38 para uma calha 40 que leva a um munhão de entrada 42 do pirolisador de moagem 22.

[057] Bolas aquecidas 28 de um depósito alimentador 43 podem entrar na calha via conduto 45. Assim a biomassa particulada é capaz de se misturar com as bolas aquecidas 28 na calha 40, com a mistura alimentada para o munhão de entrada 42.

[058] Um munhão de despejo 44 do pirolisador 22 leva ao coletor de partículas 46, que poderia tomar a forma de um ciclone. Uma mistura de carbono e bolas 28 é despejada do munhão 44 para o coletor de partículas 46 e subsequentemente em um separador carbono/bola 50. O separador 50 possui um crivo 52 tendo uma forma de rede colocada de modo que as bolas 28 descem pela rede 52 para uma calha de despejo 54 e direcionadas a um sistema transportador 56 que transporta as bolas para um aquecedor 58. Por outro lado, o carbono passa através da rede 52 e é coletado em um aparador de carbono 60 localizado no fundo do separador 50.

[059] O gás e vapores de pirólise produzidos no pirolisador de moagem 22 são coletados via conduto 48, ex., através da aplicação de uma pressão negativa relativa (i.e., vácuo). De modo a evitar a condensação dos vapores da

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 19/40

10/16 pirólise, o conduto 48 é aquecido por exemplo através de do uso de fitas de aquecimento até uma temperatura de pelo menos 300°C e preferivelmente acima de 400°C. Os gases e vapores de pirólise retirados via conduto 48 são processados através de um trem de condensação 62 que opera para condensar e capturar componentes orgânicos. Como uma quantidade considerável de carbono fino (ex., menor que 30 microns) também é retirada via conduto 48, o vapor deveria passar através de um dispositivo de filtragem 49 antes de entrar no sistema de condensação. Qualquer número de técnicas de condensação conhecidas tais como, mas não limitado a: resfriamento, por exemplo, usando água ou gelo seco; ou, precipitação eletrostática, podem ser aplicadas para capturar os componentes orgânicos dos vapores da pirólise.

[060] Gases e/ou vapores não condensáveis dos produtos da pirólise tais como dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio e vários hidrocarbonetos leves são direcionados, ex. por ventarola 64, através do conduto 66 para um combustor de gás 68. Os gases e/ou vapor que são combustíveis são queimados no combustor de gás 68 gerando gás aquecido que é alimentado via conduto 70 para o aquecedor 58. Alternativamente ou adicionalmente um pouco do carbono pode ser queimado para fornecer calor adicional para o processo se necessário. O gás aquecido flui do conduto 70 verticalmente para cima através do aquecedor 58 através de bolas embaladas 28 situadas em uma grade inclinada 72. Quando se desejar maximizar a produção de óleo o aquecedor 58 aquece ou reaquece as bolas 28 até uma temperatura de pirólise tipicamente entre 350°C e 650°C acima. O gás aquecido residual subsequentemente flui via conduto 74 para o secador 34. Assim o calor residual do aquecedor 58 é utilizado no secador 34 para reduzir o conteúdo de umidade da carga de biomassa. Em uma representação alternativa o aquecedor 58 pode ser colocado de modo que em vez de usar a grade inclinada 72, as bolas 28 podem ser despejadas verticalmente a partir do fundo do aquecedor 58. Posteriormente o gás aquecido usado para aquecer as bolas 28 pode ser introduzido de modo a fluir em direções outras ou pelo menos em adição a verticalmente. O sistema de transporte 56 é isolado para reduzir a perda de calor das bolas 28 à medida que elas são circuladas do separador 50 de volta ao aquecedor 58.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 20/40 /16 [061] Uma sequência operacional típica de usina 20 juntamente com parâmetros operacionais típicos será agora descrita. A carga de biomassa é inicialmente mantida (o que pode ser contínuo em aplicações comerciais) na caixa 30 e subsequentemente transferida via calha 32 para o secador 34. No secador 34 a biomassa é secada, ex., até um conteúdo de umidade de cerca ou abaixo de 10%, por gases quentes passando através do conduto 74, constituindo calor residual do aquecedor 58. A biomassa seca é transferida para o depósito alimentador 38 e subsequentemente alimentada através da calha 40 para o munhão de entrada 42 do pirolisador de moagem 22. A carga pode ter poucas características de fluxo e/ou poderia transpor e assim bloquear a saída do depósito alimentador 38. De modo a evitar que isso aconteça um mecanismo de agitação na forma de um agitador 39 pode ser instalado no depósito alimentador 38. O agitador 39 tem a forma de um eixo central e pontas que se estendem radialmente e se move com um movimento rotacional combinado ao redor do seu eixo e alternando linearmente ao longo do seu eixo. Esse movimento do agitador 39 provou ser útil na alimentação da carga de biomassa bruta. Bolas aquecidas 28 despejadas do depósito alimentador 43, se misturam com a carga de biomassa na calha 40 antes de entrar no pirolisador de moagem 22. As bolas 28 podem tipicamente ter um diâmetro entre cerca de 10 mm e cerca de 120 mm e podem ser feitas de vários materiais incluindo aço e sílica. As bolas 28 são fornecidas com a carga de biomassa em um índice de massa desejado (por exemplo entre seis e dez) dependendo da temperatura da pirólise, que é tipicamente de cerca de 350°C a 650°C, bem como a temperatura das bolas 28 após o aquecimento. A superfície interna do munhão de entrada 42 é revestida com espirais similar a uma verruma que auxilia em trazer a carga de biomassa e as bolas 28 para o recipiente 26. Um motor (não mostrado) opera para girar o recipiente 26 do pirolisador de moagem ao redor de um eixo longitudinal central 80. À medida que o recipiente 26 gira, pega as bolas 28 bem como a biomassa para produzir um efeito de queda. A elevação das bolas 28 confere movimento às bolas 28 que ao cair repetidamente impactam a biomassa. O calor também é transferido para a biomassa através do contato com as bolas 28 previamente aquecidas. Assegurando-se uma atmosfera substancialmente livre de oxigênio no interior

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 21/40

12/16 do pirolisador de moagem 22, o calor transferido para a biomassa causa a pirólise da biomassa.

[062] Como exposto acima em relação à Figura 1, as ações combinadas dos repetidos impactos sobre as partículas de biomassa pelas bolas 28, bem como a transferência de calor causa a simultânea redução de tamanho de partícula e pirólise das partículas de biomassa de modo que as partículas de biomassa são progressivamente reduzidas em tamanho para produzir carbono e gases e vapores de pirólise.

[063] O recipiente 26 é girado a uma velocidade abaixo da velocidade crítica (CS) na qual a carga de biomassa e o meio de moagem 28 na verdade “grudam” em uma superfície interna do recipiente 26 devido à força centrífuga. CS = (42,3-s-D⁰⁵) rpm onde D é o diâmetro interno do recipiente 26 em metros. Acredita-se que um limite de velocidade útil para o recipiente 26 é entre 0.55CS e 0,9CS. Nesse limite, acredita-se, em algumas circunstâncias, que uma velocidade de 0.75CS produz particularmente bons resultados. Acredita-se que essas velocidades sejam úteis para erguer as bolas 28 até uma altura para gerar máximo movimento antes de cair novamente na carga. A carga de biomassa é então misturada com e moída/esmagada pelas bolas 28 como resultado da rotação do recipiente 26.

[064] As bolas 28 podem ser feitas de aço, pedra de isqueiro, calhau, sílica ou outro material. As bolas 28 podem ocupar entre 10% e 50% do volume do recipiente 26. Em um exemplo, acredita-se que a ocupação por uma bola de não mais do que 35% do volume do recipiente 26 proporcione bons resultados. Esse volume é o volume das bolas 28 no recipiente 26 de cada vez. Dessa forma na usina 20 onde as bolas 28 são circuladas, o limite de circulação é preparado para fornecer uma ocupação de bola em termos de percentagem de volume do recipiente 26 de acordo com os limites estabelecidos acima.

[065] O tamanho das bolas 28 não precisa ser uniforme para todas as bolas. Por exemplo, as bolas 28 podem ser colocadas em tamanho de 10 mm a 120 mm de diâmetro. Além disso, é possível dividir o pirolisador de moagem 22 em dois ou mais compartimentos com bolas maiores 28 ocupando compartimentos mais próximos do munhão de entrada 42 onde o tamanho de partícula da carga de biomassa é maior, com bolas 28 de um diâmetro menor localizadas em um compartimento mais próximo do munhão de saída 44 onde

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 22/40

13/16 o tamanho de partícula da biomassa é menor. Assim as bolas maiores 28 impactam sobre as maiores partículas da carga de biomassa, e à medida que o tamanho de partícula da carga se torna menor em direção ao munhão de despejo 44, mais eficiente é a redução de tamanho alcançada usando bolas 28 de diâmetro menor. No caso de serem usadas divisórias e bolas de diferentes tamanhos, as divisórias são formadas de grades para permitir que as partículas de tamanho progressivamente menor se movimentem de compartimento em compartimento na direção do munhão de despejo 44.

[066] No caso do pirolisador 22 compreender um único compartimento, que pode ser benéfico no caso de uma usina mostrada na Figura 2 com uma circulação contínua de bolas 28, uma extremidade de despejo do pirolisador 22 pode ser afilada, com uma parte de diâmetro menor do afilamento conectando ao munhão de despejo 44. Para auxiliar o despejo de bolas 28 e carbono, revestimentos em espiral podem ser fixados a uma superfície interna do munhão de despejo 44. Entretanto outros mecanismos e sistemas para facilitar o despejo de bolas 28 e carbono podem ser fornecidos, como por exemplo aumentar o diâmetro do munhão de saída 44, e inclinando o recipiente rotativo 26 para a horizontal, por exemplo em um ou dois graus.

[067] Para proteger a superfície interna do pirolisador 22/recipiente 26, a superfície interna pode ser coberta por um revestimento composto de placas individuais. Os revestimentos podem ser feitos de vários materiais e na verdade podem ser combinados com o material como qual as bolas 28 são feitas.

[068] A mistura de bolas 28 moídas e carbono despejada através do munhão de despejo 44 é separada com base nos tamanhos e densidades diferentes (i.e., em virtude de diferentes características físicas). Nesse exemplo, a mistura é depositada sobre uma grade inclinada 52 que permite que o carbono passe através dela para o aparador 60 enquanto as bolas são direcionadas para o sistema transportador 56. Para auxiliar a separação das bolas 28 do carbono, a grade 52 pode ser vibrada ou sacudida.

[069] A Figura 3 ilustra uma segunda representação da usina 20a para moagem e pirólise simultâneas da biomassa particulada. Na descrição dessa representação, os mesmos números de referência são usados para descrever ou denotar as mesmas características que as descritas acima em relação à

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 23/40

14/16 usina 20 mostrada na Figura 2. Em um sentido amplo, a diferença principal entre a usina 20 da Figura 2 e a usina 20a da Figura 3 é que na usina 20a o meio de moagem (i.e., bolas de moagem 28) não são circuladas, e sim mantidas no interior do pirolisador 22. Isso evita a necessidade do sistema transportador 56, aquecedor 58 e caixa de armazenamento 43. Também, como as bolas 28 são retidas no interior do pirolisador 22, o separador 50 externo ao pirolisador não é requerido. Nessa representação o recipiente 26 é alojado em um invólucro exterior isolado 92 criando uma folga anelar ou espaço entre o recipiente 26 e o invólucro 92. Gás aquecido é direcionado através da linha 90 para a folga 94. A pirólise é afetada por transferência do calor do gás aquecido na folga 94 através das paredes do recipiente 26. Para maximizar a produção de óleo, a temperatura no interior do pirolisador 22 deve ser de cerca de 350°C a 650°C. Quando o calor da pirólise é transferido através das paredes do pirolisador 22/recipiente 26, as paredes são aquecidas a uma temperatura mais alta do que a requerida para a pirólise para dar conta da transmissão de calor e perda através das paredes do recipiente 26. Por exemplo as paredes deveríam ser construídas para suportar temperaturas da ordem de aproximadamente 500°C a 850°C ou mais. Outra diferença da usina 20a em comparação com a usina 20 é que o gás residual que sai da folga 94 ao redor do pirolisador de moagem 22 é canalizado pelo conduto 82 para o secador 34.

[070] É possível variar a condição operacional ou método pósprocessual de modo a satisfazer requisitos do produto em particular. Por exemplo, operar o pirolisador 22 a uma temperatura mais baixa (ex., de cerca de 200 a 320°C) permite a produção de biomassa torrefeita. O processo de pirólise nesse limite de temperatura é conhecido como torrefação, e a biomassa resultante pode ser densificada em briquetes ou pelotas usando equipamento de densificação convencional. Nesse processo, as etapas de condensação mostradas nas Figuras 2 e 3 podem ser omitidas, e os vapores da pirólise e os gases queimáveis podem ser usados como fonte de aquecimento para o pirolisador.

[071] Baixar o índice de filtragem do dispositivo de filtragem 49 nas Figuras 2 e 3 ou omitir completamente o dispositivo de filtragem resulta na condensação do vapor orgânico nos finos de carbono produzir uma mistura de bio-óleo/carbono na forma de uma bio-lama ou bio-pasta. Essa mistura de bio

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 24/40

15/16 óleo/carbono pode ser usada como combustível de combustão ou de gaseificação.

[072] Além disso, o próprio pirolisador pode fazer parte de um sistema de combustão ou gaseificação 100, como mostrado na Figura 4. Nessa representação os voláteis e carbono fino produzidos pelo pirolisador 22 são diretamente alimentados a um combustor ou gaseificador 102 do sistema 100. Parte do calor gerado pelo combustor ou gaseificador e/ou o calor residual do combustor ou gaseificador pode ser usada para aquecer o pirolisador. Alternativamente, o calor da pirólise pode ser fornecido pela queima de uma pequena parte de voláteis e/ou carbono fino no pirolisador através da introdução de uma pequena quantidade de oxigênio ou ar no pirolisador 22.

[073] Uma variante da representação da Figura 4 é que os produtos da pirólise contendo voláteis, carbono e gases queimáveis são alimentados em um aquecedor ou gaseificador como um combustível de combustão conjunta. Isso é vantajoso sobre o uso de biomassa fresca como um combustível de combustão conjunta devido à omissão de quaisquer processos de moagem de biomassa que são energia-intensivos. Nesse caso, o calor da pirólise pode novamente ser fornecido pela queima de uma pequena parte de voláteis e/ou carbono no pirolisador. Isso pode ser conseguido através da introdução de uma pequena quantidade de oxigênio ou ar dentro do pirolisador 22 e da monitoração da temperatura dentro do pirolisador. Alternativamente, algum gás de combustão quente do aquecedor ou gaseificador pode ser usado como uma fonte de calor para o pirolisador.

[074] Acredita-se que representações da presente invenção proporcionam vários benefícios e/ou vantagens sobre as técnicas de pirólise atuais. Essas incluem a capacidade de usar partículas de carga brutas tendo uma ampla distribuição de tamanho de partícula (por exemplo entre 5 mm e 8 cm de espessura ou diâmetro), formato irregular (ex., não esférico, altamente ramificado) e contendo partículas de não-biomassa tais como pedras e areia. A presente invenção permite o uso de carga substancial mente bruta sem a necessidade de processamento preliminar substantivo e dispendioso. Uma vantagem adicional é que o carbono produzido no pirolisador desta invenção é na forma de partículas finas (predominantemente com diâmetro menor que 50 microns), tornando o carbono prontamente usável (ex., como um combustível

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 25/40

16/16 ou corretivo orgânico do solo). Também como não é necessário gás de transporte, a extinção térmica dos vapores da pirólise é simplificada, e a geração de aerossóis é reduzida. Pode haver também um uso mais eficiente do gás de pirólise não condensável.

[075] Agora que representações da presente invenção foram descritas detalhadamente ficará claro para os especialistas que numerosas modificações e variações podem ser feitas sem se afastar dos conceitos inventivos básicos. Por exemplo, as Figuras de 2 a 4 ilustram usinas para a simultânea moagem e pirólise da carga de biomassa que incorporam um moinho de bolas. Entretanto outros tipos de máquinas capazes de reduzir o tamanho de partícula da biomassa podem ser usados tais como um moinho de martelo ou um triturador de mandíbula alternativo. Também, o calor para a pirólise pode ser fornecido por uma combinação de aquecimento do meio de moagem (i.e., as bolas 28) como mostrado na Figura 2, e aquecer diretamente a parede interna/recipiente 26 do pirolisador como mostrado na Figura 3. Além disso, o gás natural ou outros combustíveis podem ser usados para aumentar o fornecimento de combustível para o queimador 68 se necessário. Todas essas modificações e variações juntamente com outras que ficarão óbvias para os conhecedores são consideradas estando dentro do escopo da presente invenção cuja natureza deve ser determinada a partir do relatório acima e das reivindicações anexas.

Claims

1. Método para processamento de carga carbonácea particulada, a carga compreendendo biomassa, o método caracterizado por compreender:

alimentar a carga a um recipiente possuindo um volume V e um diâmetro interno D em metros;

proporcionar um ou mais objetos rígidos no recipiente;

girar o recipiente em uma velocidade de 55% a 90% de uma velocidade crítica CS, onde CS = 42,3/D^{0 5} rpm;

enquanto o recipiente está girando em uma velocidade de 55% a 90% de CS, sujeitar simultaneamente a carga a um processo de redução de tamanho de partícula e pirólise, onde o processo de redução de tamanho de partícula compreende contatar repetidamente a carga com um ou mais objetos rígidos, para produzir ao menos voláteis incluindo vapor orgânico condensável para formar um óleo líquido.

2. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por o processo de redução de tamanho compreender tanto moer quanto esmagar a carga ou ambos.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2 caracterizado por o contato da carga com um ou mais objetos rígidos compreender impactar a carga com esses um ou mais objetos rígidos.

4. Método de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por esses um ou mais objetos rígidos serem fornecidos como meio de moagem compostos de uma pluralidade de objetos separados e livremente movíveis e impactar a carga e compreender conferir impulso ao meio de moagem e fazer com que o meio de moagem impacte a carga.

5. Método de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por compreender fornecer o meio de moagem no recipiente e girar o recipiente.

6. Método de acordo com a reivindicação 4 ou 5 caracterizado por compreender fornecer o meio de moagem em uma quantidade para ocupar de 10% a 50% do volume V do recipiente.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6 caracterizado por compreender fornecer os objetos como objetos feitos de um dos seguintes: sílica, seixo ou aço.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 27/40

2/5

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 caracterizado por compreender fornecer um revestimento de aço, sílica ou refratário no interior do recipiente.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7 caracterizado por compreender fornecer uma alimentação contínua de meios de moagem através do recipiente.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9 caracterizado por a pirólise compreender transferir calor dos objetos para a carga através de condução e convecção.

11. Método de acordo com a reivindicação 10 caracterizado por compreender aquecer os objetos antes que os objetos entrem em contato com a carga.

12. Método de acordo com a reivindicação 11 caracterizado por compreender utilizar calor residual de um processo de aquecimento dos objetos para secar a carga antes da carga entrar em contato com os objetos.

13. Método de acordo com a reivindicação 10 caracterizado por compreender aquecer os objetos enquanto os objetos estão em contato com a carga.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13 caracterizado por a pirólise compreender aquecer o recipiente.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14 caracterizado por compreender gerar calor para a pirólise através da queima de gases não condensáveis e/ou carbono produzido pela pirólise da carga.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15 caracterizado por compreender conduzir a pirólise a uma temperatura suficiente para causar a torrefação da carga.

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16 caracterizado por compreender fornecer limitado oxigênio ao recipiente para permitir a combustão parcial dos voláteis e/ou carbono para gerar calor para a pirólise da carga.

18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17 caracterizado por compreender condensar o vapor orgânico gerado pela pirólise para formar o óleo líquido.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 28/40

3/5

19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17 caracterizado por compreender condensar o vapor orgânico gerado pela pirólise no carbono gerado pela pirólise para produzir mistura de óleo/carbono.

20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17 caracterizado por alimentar os produtos gerados pela pirólise da carga como um combustível para um sistema de combustão ou gaseificação.

21. Método de acordo com a reivindicação 20 caracterizado por compreender usar o sistema de combustão ou gaseificação como uma fonte de calor para a pirólise.

22. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17 caracterizado por compreender alimentar produtos gerados pela pirólise da carga a uma caldeira ou gaseificador como um combustível de combustão conjunta.

23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15 caracterizado por compreender conduzir a pirólise a uma temperatura entre 350°C e 650°C.

24. Usina para a simultânea moagem e pirólise de carga carbonácea particulada caracterizado por compreender:

uma máquina possuindo um recipiente giratório para reduzir o tamanho da partícula da carga no recipiente; e, uma fonte de calor para aquecer a carga enquanto a máquina opera para reduzir o tamanho da partícula da carga para executar a pirólise da carga;

onde o recipiente é configurado para girar em uma velocidade de 55% a 90% de uma velocidade crítica CS, onde CS = 42,3/D^{0 5} rpm.

25. Usina de acordo com a reivindicação 24 caracterizado por a máquina ser uma máquina de moagem ou uma máquina de fresa.

26. Usina de acordo com a reivindicação 24 ou 25 caracterizado por a máquina compreender um meio de moagem consistindo da pluralidade de objetos rígidos na forma de objetos separados e livremente movíveis e o recipiente no qual o meio de moagem e a carga entram em contato um com o outro para executar a redução do tamanho da partícula da carga.

27. Usina de acordo com a reivindicação 26 caracterizado por a máquina operar através da rotação do recipiente para conferir movimento ao meio de moagem e fazer com que o meio de moagem impacte repetidamente a carga.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 29/40

4/5

28. Usina de acordo com a reivindicação 26 ou 27 caracterizado por compreender fornecer uma alimentação circulante do meio de moagem através do recipiente.

29. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 28 caracterizado por o meio de moagem quando no recipiente ocupar de 10% a 50% do volume V do recipiente.

30. Usina de acordo com a reivindicação de qualquer uma das reivindicações 26 a 29 caracterizado por a fonte de calor aquecer o meio de moagem antes do meio de moagem contatar a carga.

31. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 30 caracterizado por a fonte de calor aquecer o recipiente.

32. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 30 caracterizado por a fonte de calor compreender um queimador e um sistema de alimentação de gás para alimentar gás não condensável da pirólise da carga para o queimador.

33. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 32 caracterizado por compreender um condensador através do qual gases e vapores da pirólise da carga são retirados para condensar e capturar componentes orgânicos dos vapores da pirólise.

34. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 33 caracterizado por a fonte de calor ser preparada para fornecer uma temperatura de pirólise suficiente para causar a torrefação da biomassa.

35. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 32 caracterizado por a usina ser preparada para condensar o vapor orgânico gerado pela pirólise em carbono gerado pela pirólise para produzir uma mistura óleo/carbono.

36. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 32 caracterizado por a usina ser parte de um sistema de combustão ou gaseificação tendo um combustor ou gaseificador, a usina sendo preparada para alimentar produtos gerados pela pirólise da carga como um combustível para o combustor ou gaseificador.

37. Usina de acordo com a reivindicação 36 caracterizado por o calor gerado pelo combustor ou gaseificador ser uma fonte de calor para a pirólise, ou a fonte de calor para a pirólise.

Petição 870180130253, de 14/09/2018, pág. 30/40

5/5

38. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 32 caracterizado por a usina ser preparada para alimentar produtos gerados pela pirólise da carga para uma caldeira ou gaseificador como um combustível de combustão conjunta.

39. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 38 caracterizado por compreender um depósito alimentador para fornecer a carga para a máquina, o depósito alimentador sendo provido com um mecanismo de agitação capaz de um movimento rotacional combinado ao redor de um eixo e movimento alternado ao longo do eixo para facilitar um fluxo da carga a partir do depósito alimentador para a máquina.

40. Usina de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 33 caracterizado por a fonte de calor ser preparada para fornecer uma temperatura de pirólise entre 350°C e 650°C.