BR112013001807B1 - Método para gaseificar material carbonáceo e um sistema de gaseificação - Google Patents

Abstract

método para gaseificar material carbonáceo e um sistema de gaseificação a presente invenção se refere a um método para gaseificar material carbonáceo. o método compreende uma primeira etapa de pirolisar e gaseificar parcialmente o material carbonáceo para produzir voláteis e carbono. os voláteis e o carbono são então separados e, subsequentemente, o carbono é gaseificado e os voláteis são reformados. o produto gasoso bruto é então limpo com catalisadores de carbono ou suportados em carbono ou outros catalisadores.

Description

Campo da invenção [001] A presente invenção se refere a um método para gaseificar material carbonáceo e um sistema de gaseificação.

Antecedentes da invenção [002] Gaseificação se refere à conversão de um material sólido ou líquido, como um material carbonáceo, em um combustível gasoso. A gaseificação é de interesse para muitas tecnologias de baixa emissão em indústrias químicas e de energia.

[003] A gaseificação de um material carbonáceo pode ser conceitualmente dividida em duas etapas embora uma clara distinção entre as duas etapas não seja possível. Quando o material carbonáceo (sólido) é aquecido, uma mistura de gás e vapor (“voláteis”), incluindo umidade do material carbonáceo, é liberada do material carbonáceo, deixando um resíduo sólido (“carbono”). Os voláteis e o carbono reagem então com agentes gaseificadores tais como H2O e O2 para formar um produto gasoso.

[004] Combustíveis carbonáceos de baixa classificação tais como carvão marrom (lignite), turfa, biomassa e resíduos sólidos são particularmente apropriados para gaseificação devido à sua alta reatividade de gaseificação. Entretanto, esses combustíveis de baixa classificação possuem várias propriedades específicas, que devem ser consideradas no projeto e operação de um gaseificador para gaseificar esses combustíveis de baixa classificação.

[005] Em primeiro lugar, combustíveis de baixa classificação geralmente tem alta produção de voláteis, por exemplo, 80 % em peso ou mais (em base seca) para alguns tipos de biomassa. A reforma completa dos componentes de alcatrão dos voláteis é uma das mais importantes considerações no projeto de um gaseificador porque a remoção de alcatrão é complexa e dispendiosa.

[006] Em segundo lugar, combustíveis de baixa classificação muitas vezes contem álcali bem dispersado e espécies de metal alcalino-terroso (AAEM) que podem volatizar facilmente durante a pirólise e gaseificação. As espécies de AAEM volatilizadas na gaseificação do produto gasoso podem causar a corrosão/erosão de componentes da turbina/motor. As espécies de AAEM volatilizadas também podem reagir com os materiais de leito (ex. areia)

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 24/54 / 25 em um gaseificador de leito-fluidizado, resultando na aglomeração e de fluidização dos materiais de leito. Por outro lado, se essas espécies AAEM são retidas no carbono, elas podem ser excelentes catalisadoras para a gaseificação do carbono.

[007] Em terceiro lugar, carbono e voláteis de combustíveis de baixa classificação são muito reativos. A interação entre o carbono e voláteis pode aumentar a volatilização das suas espécies metálicas inerentes (ex. Na em carvão marrom e K em biomassa), desativar a estrutura do carbono e assim reduzir a reatividade do carbono. No pior caso, as interações voláteis-carbono podem praticamente terminar a gaseificação do carbono. Na presença de interações voláteis-carbono, aumentar a temperatura de gaseificação nem sempre leva a uma melhora significativa dos índices de gaseificação. Na verdade, as interações voláteis-carbono impactam quase todos os aspectos da gaseificação.

[008] O consumo de oxigênio é uma importante consideração no projeto e operação de um gaseificador para alcançar alta eficiência. Em muitos gaseificadores os voláteis, sendo mais reativos do que o carbono, tendem a reagir preferencialmente com O2, deixando o carbono menos reativo para ser gaseificado lentamente com vapor e outros agentes gaseificadores. Uma situação mais preferível seria que o carbono menos reativo reagisse com O2 permitindo que os voláteis mais reativos fossem reformados com vapor e outros agentes gaseificadores.

[009] O produto gasoso bruto pode conter traços de alcatrão, espécies inorgânicas volatilizadas (ex. álcali) e espécies formadoras de poluentes (ex. NH3, HCN e H2S). Ele normalmente necessita ser limpo antes de ser usado, por exemplo, como um combustível gasoso em uma turbina/motor ou como uma carga para síntese química. A remoção de vários componentes indesejáveis como materiais de alcatrão, vapor de AAEM, particulados e H2S/NH3/HCI da gaseificação do produto gasoso normalmente acrescenta complexidade ao processo total de gaseificação e forma uma importante parte do capital total de gaseificação e custos operacionais. Quando essas espécies indesejadas são removidas através de lavagem com líquido (ex. água), é gerado um fluxo de resíduo líquido que deve ser então tratado a custo alto.

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Vários catalisadores convencionais podem ser empregados para reformar alcatrão. No entanto, esses catalisadores muitas vezes desativam facilmente.

[010] Consequentemente há necessidade de um avanço tecnológico. Sumário da invenção [011] De acordo com um aspecto da presente invenção, é fornecido um método para gaseificar um material carbonáceo, o método compreendendo as etapas de:

pirolisar o material carbonáceo para produzir voláteis e carbono;

separar o carbono e os voláteis;

gaseificar o carbono;

reformar os voláteis para produzir um produto gasoso; e, passar os voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso através de uma zona de limpeza de produto gasoso, assim como um leito de catalisador.

[012] Passar os voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso através de um leito de catalisador resulta em vários efeitos incluindo a remoção de resíduos de alcatrão e outras impurezas como contaminantes inorgânicos, e aumentando o conteúdo de hidrogênio do produto gasoso efetuando a reação de deslocamento de água e gás, produzindo assim um produto gasoso limpo.

[013] O leito de catalisador pode compreender um leito móvel de carbono ou catalisador suportado em carbono. O leito móvel pode ser um leito móvel de carbono não-isotérmico ou catalisador suportado em carbono. Os catalisadores de carbono ou suportados em carbono podem ser preparados a partir da pirólise e/ou gaseificação parcial do material carbonáceo (incluindo aquele carregado com espécies catalíticas). Em um exemplo o processo compreende a etapa de descarregar o carbono gasto ou catalisador suportado em carbono do leito catalisador e gaseificar o carbono gasto ou catalisador suportado em carbono para recuperar os seus valores energéticos. O carbono gasto ou parcialmente gasto ou catalisadores suportados em carbono podem também ser devolvidos ao campo como um corretivo orgânico do solo, uma fonte de nutrientes e/ou para bio-sequestro de carbono.

[014] Em outra representação, o leito de catalisador é um de uma série de leitos de catalisador.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 26/54 / 25 [015] Em uma representação da invenção, a etapa de pirolisar o material carbonáceo compreende pirolisar o material carbonáceo por um período de tempo que seja suficientemente longo para converter substancialmente todo o material carbonáceo para voláteis e carbono.

[016] Em uma representação, a etapa de pirolisar o material carbonáceo compreende aquecer o material carbonáceo com um fluxo de contra-corrente de gás quente. O gás quente pode ser produzido a partir da gaseificação do carbono. O material carbonáceo pode sofrer simultânea pirólise e gaseificação (parcial).

[017] Em uma representação, a etapa de gaseificar o carbono compreende reagir o carbono com um agente gaseificador. A etapa de gaseificar o carbono compreende reagir o carbono com uma quantidade controlada de gás contendo oxigênio. A etapa de gaseificação pode ser realizada isoladamente da etapa de reformar os voláteis para minimizar interações voláteis-carbono.

[018] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para tratar o produto gasoso bruto produzido a partir da gaseificação de materiais carbonáceos de baixa classificação, no qual o produto gasoso bruto contem voláteis parcialmente reformados, resíduos de alcatrão e contaminantes, o método compreendendo passar o produto gasoso bruto através de um leito de catalisador.

[019] Em uma representação, o método para tratar o produto gasoso bruto compreende passar o produto gasoso bruto através de um leito de catalisador que compreende um leito móvel de carbono ou catalisador suportado por carbono. Resíduos de alcatrão e outras impurezas tais como contaminantes inorgânicos são removidos do produto gasoso bruto. Adicionalmente, o conteúdo de hidrogênio do produto gasoso tratado em comparação com o do produto gasoso bruto é aumentado pela efetuação da reação de deslocamento de água e gás.

[020] O método pode compreender a etapa de secar o material carbonáceo antes de pirolisar o material carbonáceo. Para representações em que o método compreende a etapa de secar o material carbonáceo, o vapor produzido a partir da etapa de secagem pode ser empregado na etapa de reformar os voláteis.

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5/25 [021] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um sistema de gaseificação para gaseificar um material carbonáceo, o sistema de gaseificação compreendendo:

uma zona de reforma para reformar voláteis para produzir um produto gasoso;

uma zona de gaseificação de carbono para gaseificar carbono;

uma zona de pirólise para pirolisar material carbonáceo, a zona de pirólise estando em comunicação de fluido com a zona de reforma e a zona de gaseificação de carbono, em um arranjo pelo qual os voláteis e o carbono formados na zona de pirólise são separados e direcionados à zona de reforma e à zona de gaseificação de carbono, respectivamente; e, uma zona de limpeza do produto gasoso em comunicação de fluido com a zona de reforma em um arranjo pelo qual voláteis parcial mente reformados e/ou o produto gasoso podem ser passados através da zona de limpeza do produto gasoso.

[022] Dessa forma, o sistema de gaseificação da presente invenção reduz e tipicamente minimiza as interações voláteis\ carbono.

[023] Em uma representação, a zona de pirólise é colocada intermediária à zona de reforma e à zona de gaseificação de carbono.

[024] Em uma representação, a zona de limpeza do produto gasoso compreende um leito de catalisador. Deve-se entender que o leito de catalisador pode compreender mais de um leito catalisador disposto em série.

[025] Em pirolisar o material carbonáceo envolve introduzisentações da invenção, o sistema de gaseificação pode ser fornecido com uma entrada para a introdução de material carbonáceo na zona de pirólise, e uma ou mais entradas para a introdução de agentes gaseificadores, tais como vapor e gás contendo oxigênio, na zona de gaseificação de carbono. O sistema de gaseificação também pode ser fornecido com uma saída para a retirada do produto gasoso do leito de catalisador.

[026] Em uma representação, o sistema de gaseificação compreende um reator de gaseificação tendo em si definidas as zonas de reforma, gaseificação de carbono e de pirólise.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 28/54 / 25 [027] Em uma representação da invenção, a zona de gaseificação de carbono é colocada em uma parte inferior do reator de gaseificação. A zona de reforma pode ser colocada em uma parte superior do reator de gaseificação.

[028] Em uma representação, a zona de gaseificação de carbono é ainda fornecida com um dispositivo de descarga de cinzas, assim como uma tremonha fechada, conectada operativamente a uma saída colocada em uma parte inferior do reator de gaseificação.

[029] Em uma representação da invenção, a zona de pirólise é configurada para reter o material carbonáceo na zona de pirólise por um tempo de residência suficientemente longo para converter substancialmente todo o material carbonáceo em voláteis e carbono.

[030] A zona de pirólise pode ser fornecida com um pirolisador adaptado para reter o material carbonáceo na zona de pirólise por um tempo de residência suficientemente longo para converter substancialmente todo o material carbonáceo em voláteis e carbono.

[031] Em uma representação, uma parte do carbono formado na zona de pirólise é separada do material carbonáceo remanescente como um catalisador de limpeza de gás e direcionado para a zona de limpeza do produto gasoso.

[032] Em uma representação, o sistema de gaseificação compreende um reator separado, como um reator de leito móvel, para pirolisar e/ou gaseificar parcialmente um material carbonáceo de modo a preparar catalisadores de carbono ou suportados em carbono, o sistema sendo preparado de modo a permitir que o material carbonáceo pirolisado e/ou parcialmente gaseificado seja descarregado na zona de limpeza do produto para agir como os catalisadores para a limpeza do produto gasoso. O material carbonáceo pode ser a principal carga para a gaseificação.

[033] A zona de limpeza do produto gasoso pode coincidir com a zona de gaseificação de carbono, que pode ser configurada e operada sob condições pelas quais o carbono pode sofrer gaseificação parcial ou completa. A zona de gaseificação de carbono pode também ser um reator separado, incluindo depósito de carbono.

[034] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é fornecido um aparelho para pirolisar e gaseificar parcialmente materiais carbonáceos, o aparelho compreendendo:

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 29/54 / 25 pelo menos um elemento tendo uma superfície disposta de modo que, quando o aparelho recebe o material carbonáceo, o material carbonáceo recebido está em contato com a superfície durante um período de tempo suficientemente longo para a pirólise do material carbonáceo;

em que o aparelho é disposto de tal modo que a superfície recebe calor para a pirólise e gaseificação parcial do material carbonáceo.

[035] Em uma representação, a superfície tem uma parte inclinada para baixo disposta de modo a auxiliar o contato do material carbonáceo com a superfície durante o período de tempo.

[036] O aparelho pode compreender uma pluralidade de superfícies, cada superfície sendo disposta para receber material carbonáceo de modo que o material carbonáceo recebido esteja em contato com a respectiva superfície por um período de tempo suficientemente longo para a pirólise do material carbonáceo, cada superfície sendo disposta para receber calor para pirolisar e gaseificar parcialmente o material carbonáceo. A pluralidade de superfícies pode ser em um arranjo em cascata e o aparelho pode ser disposto de modo que o material carbonáceo seja transferido para as superfícies sucessivas do arranjo em cascata após um período de tempo de duração suficiente de modo a realizar a pirólise do material carbonáceo.

[037] Em uma representação, o aparelho compreende um agitador associado com pelo menos um elemento, o agitador estando disposto de modo a agitar o material carbonáceo em contato com a superfície de modo a transferir o material carbonáceo para uma região abaixo da superfície.

[038] Em representações em que o aparelho compreende a pluralidade de superfícies no arranjo em cascata, o agitador pode ser disposto de modo a transferir o material carbonáceo a uma superfície sucessiva do arranjo em cascata.

[039] Em uma representação, o aparelho compreende uma pluralidade de agitadores, cada agitador estando associado a um respectivo elemento tendo uma respectiva superfície, cada agitador sendo disposto de modo a transferir o material carbonáceo a uma sucessiva superfície do arranjo em cascata ou, no caso de uma última superfície do arranjo em cascata, a uma região abaixo da última superfície do arranjo em cascata.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 30/54 / 25 [040] A pluralidade de superfícies pode ser disposta em um arranjo em cascata vertical e o aparelho pode compreender um eixo rotativo que se estende verticalmente através da pluralidade de superfícies na qual os agitadores associados com as respectivas superfícies são acionados por meio de rotação do eixo rotativo.

[041] Cada sucessiva superfície do arranjo em cascata vertical pode ter uma parte que se inclina para baixo que é formada de modo complementar à superfície acima.

Breve descrição das Figuras [042] Representações da presente invenção serão agora descritas, apenas a título de exemplo, com referência às Figuras anexas, nas quais:

Figura 1 é um diagrama esquemático de um método para gaseificar um material carbonáceo de acordo com uma representação da presente invenção;

Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de gaseificação de acordo com uma representação da presente invenção;

Figura 3 é um diagrama esquemático de uma representação de um aparelho para pirolisar um material carbonáceo que pode ser usado no sistema de gaseificação mostrado na Figura 2; e,

Figura 4 é um diagrama esquemático de um sistema de gaseificação para gaseificar um material carbonáceo de modo a produzir carbono e um produto gasoso de acordo com uma representação da presente invenção. Descrição detalhada [043] Representações da presente invenção se referem a um método 10 para gaseificar um material carbonáceo, um sistema de gaseificação 20, 40, e um aparelho 30 para pirolisar material carbonáceo como descrito com referência às Figuras 1 a 4.

[044] Deve-se observar que o método 10 pode ser realizado em um reator de gaseificação tendo em si integralmente definidos uma zona de pirólise para pirolisar material carbonáceo, uma zona de gaseificação de carbono para gaseificar o carbono com vapor e um gás contendo oxigênio, uma zona de reforma para reformar voláteis com vapor para produzir um produto gasoso, e uma zona de limpeza de gás para limpar o produto gasoso. Uma representação do reator de gaseificação de acordo com a presente invenção será descrita em maiores detalhes em páginas posteriores do relatório.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 31/54 / 25 [045] Em sua forma mais ampla, e como mostrado na Figura 1, o método de gaseificação 10 compreende as etapas de pirolisar 12 o material carbonáceo para produzir voláteis e carbono, separar 14 o carbono e os voláteis, gaseificar 16 o carbono, reformar 18 os voláteis para produzir um produto gasoso, e limpar 19 o produto gasoso.

[046] O termo “material carbonáceo” é usado no seu mais amplo significado através deste relatório e inclui, mas não está limitado a, carvão como o antracite, carvão betuminoso, carvão sub-betuminoso, carvão marrom, lignite e turfa, biomassa, resíduos de borracha incluindo mas não limitado a pneus de veículos, resíduos de materiais plásticos, resíduos agrícolas, suas misturas e misturas dos ditos materiais carbonáceos com outras substâncias. O método e sistema das representações da presente invenção descritos com referência às Figuras de 1 a 4 são particularmente apropriados para uso com material carbonáceo de baixa classificação tendo alta produção de matéria volátil e conteúdo de alta umidade. O sistema descrito com referência à Figura 4 é especialmente apropriado para uso com biomassa tendo alta produção de matéria volátil e conteúdo de alta umidade.

[048] Em representações nas quais o conteúdo de umidade do material carbonáceo é alto, é preferível secar o material carbonáceo antes de pirolisar o material carbonáceo. As vantagens de pré-secar o material carbonáceos são duplas. A pré-secagem minimiza a aglomeração de partículas de material carbonáceo em tremonhas de armazenamento e os reatores de gaseificação.

[049] Adicionalmente, ao mesmo tempo em que é preferível uma determinada quantidade de umidade seja inerentemente introduzida no reator de gaseificação com o material carbonáceo, e subsequentemente seja convertida em vapor para uso na zona de reforma, uma quantidade excessiva de umidade aumentaria os requisitos de energia dentro do reator de gaseificação para converter a umidade em vapor e resultaria em diminuição da eficiência.

[050] Por conseguinte, em uma representação, o método 10 compreende uma etapa de secar o material carbonáceo antes de pirolisar o material carbonáceo.

[051] Em uma forma da invenção, secar o material carbonáceo compreende contatar o material carbonáceo com o produto gasoso do

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 32/54 / 25 processo em um mecanismo de troca indireta de calor. A troca indireta de calor com o produto gasoso pode ser conseguida passando-se o material carbonáceo através de um secador indireto convencional, conhecido dos especialistas. Dessa forma o calor sensível do produto gasoso pode ser eficientemente usado no método 10.

[052] Em uma representação do método 10, pirolisar o material carbonáceo envolve introduzir um fluxo contínuo do material carbonáceo em uma zona de pirólise de um reator de gaseificação. Para facilitar um fluxo contínuo de material carbonáceo para a zona de pirólise e para minimizar a aglomeração de partículas, é preferível controlar o conteúdo de umidade do material carbonáceo, como descrito acima, e o tamanho de partícula do material carbonáceo.

[053] Pirolisar o material carbonáceo compreende aquecer o material carbonáceo, preferivelmente por aquecimento direto do material carbonáceo com um gás quente. O gás quente pode ser produzido na zona de gaseificação de carbono do reator de gaseificação e é direcionado em troca direta de calor contra corrente com o fluxo contínuo do material carbonáceo na zona de pirólise. A temperatura do gás quente depende do tipo de material carbonáceo, e pode ser em um limite de temperatura de cerca de 900°C a cerca de 1200°C. O material carbonáceo pode sofrer a simultânea pirólise e gaseificação parcial através de reações com o fluxo de gás quente.

[054] Em uma representação preferida, o fluxo contínuo de material carbonáceo desce progressivamente através da zona de pirólise por um período suficientemente longo para assegurar substancialmente a completa pirólise do material carbonáceo em voláteis e carbono. Em uma representação, o fluxo contínuo de material carbonáceo desce progressivamente através da zona de pirólise pela gravidade. Em uma representação alternativa, o fluxo contínuo de material carbonáceo desce progressivamente através da zona de pirólise por um meio de transferência, assim como um trado, um parafuso, um leito móvel ou um meio de agitação associado a um pirolisador, como será descrito por exemplo com referência à Figura 3.

[055] Após a pirólise, os voláteis ascendem para uma zona de reforma do gaseificador enquanto o carbono desce para uma zona de gaseificação do gaseificador. Vantajosamente, a pirólise completa do material carbonáceo em

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 33/54 / 25 voláteis e carbono permite a melhor separação de voláteis e carbono para a zona de reforma e zona de gaseificação de carbono, respectivamente, minimizando assim as interações entre voláteis e carbono na zona de gaseificação de carbono. Consequentemente, a ausência substancial de voláteis na zona de gaseificação de carbono facilita um relativo aumento no índice de gaseificação de carvão em comparação com processos do estado da arte. Na ausência substancial de voláteis, o oxigênio é principalmente consumido por carbono, facilitando a rápida gaseificação do carbono que é normalmente a etapa determinante do índice. Dessa forma, representações da presente invenção aumentam os índices de gaseificação com mínimas quantidades de oxigênio para alcançar alta eficiência de gaseificação.

[056] Gaseificar o carbono compreende introduzir agentes gaseificadores, tais como vapor e um gás contendo oxigênio, na zona de gaseificação de carbono e reagir o carbono com o vapor e o gás contendo oxigênio.

[057] Em uma representação da invenção, o gás contendo oxigênio introduzido na zona de gaseificação de carvão pode compreender ar, oxigênio puro ou oxigênio diluído. As reações exotérmicas entre oxigênio e carbono podem ser representadas com as seguintes reações simplificadas:

C + ¹AO2 CO(1)

C + O2 CO2(2) [058] A reação endométrica entre vapor e carbono pode ser mostrada com uma reação simplificada:

C + H2O CO + H2(3) [059] A quantidade de gás contendo oxigênio e/ou vapor introduzido na zona de gaseificação do carbono pode ser variada, respectivamente, para controlar a temperatura operacional da zona de gaseificação do carbono.

[060] A temperatura operacional requerida pode ser determinada com base no equilíbrio de energia dentro do reator de gaseificação entre várias

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 34/54 / 25 zonas, incluindo o leito de catalisador para limpeza do produto gasoso. De modo a alcançar alta eficiência de gaseificação, o índice de alimentação de oxigênio na zona de gaseificação de carbono é preferivelmente o mais baixo possível.

[061] Em uma representação, o carbono é substancialmente consumido na zona de gaseificação de carbono, resultando na produção de gás quente e cinzas. As cinzas podem ser descarregadas da zona de gaseificação de carbono do reator de gaseificação através de um dispositivo de descarga de cinzas, assim como uma tremonha fechada.

[062] O gás quente resultante da gaseificação do carbono fornece uma fonte de aquecimento para aquecer e pirolisar material carbonáceo na zona de pirólise do reator de gaseificação, para reformar voláteis na zona de reforma e para limpar o produto gasoso na zona de limpeza de gás.

[063] Deve-se observar que, no caso de carbono insuficiente para equilibrar a demanda de calor, incluindo o modo de inicialização, parte do produto gasoso produzido no método 10 poderia ser reciclado e queimado na zona de gaseificação de carbono ou queimado na zona de reforma.

[064] O gás quente flui da zona de gaseificação de carbono para a zona de pirólise e passa em troca de calor direta em contra corrente com o material carbonáceo à medida que se move progressivamente através da zona de pirólise e é pirolisado. Quando o gás quente passa através da zona de pirólise, o gás quente se mistura aos voláteis (incluindo vapor) liberados do material carbonáceo e flui para a zona de reforma. Dessa maneira, o gás quente auxilia na separação dos voláteis do carbono produzido na zona de pirólise.

[065] O gás quente também satisfaz a demanda de energia das reações endotérmicas de reforma volátil na zona de reforma. Na zona de reforma, voláteis e vapor reagem endotermicamente para produzir um produto gasoso. Em uma representação, a reforma dos voláteis com vapor na zona de reforma é realizada a uma temperatura no limite de cerca de 700°C a cerca de 1000°C. Vantajosamente, por conseguinte, parte do calor sensível do gás quente produzido na zona de gaseificação de carbono é recuperada em energia química na forma do produto gasoso.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 35/54 / 25 [066] O excesso de agentes gaseificadores no gás quente acima mencionado entraria em contato e reagiria com a carga pirolizadora, seus voláteis e carbono quando fluem para cima.

[068] O produto gasoso produzido na zona de reforma pode conter contaminantes orgânicos e inorgânicos. Exemplos de contaminantes incluem, mas não estão limitados a, resíduos de alcatrão, NH3, HCN, H2S, e espécies de AAEM inorgânicas volatilizadas. Um produto gasoso que contém contaminantes é muitas vezes chamado de “produto gasoso bruto”.

[069] O método 10 convenientemente remove contaminantes orgânicos e inorgânicos do produto gasoso.

[070] Em uma representação da invenção, o método 10 compreende ainda passar os voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso através de um leito de catalisador.

[071] Em uma representação, o leito de catalisador compreende um leito móvel de catalisador não-isotérmico. Em outra representação, o leito de catalisador é uma pluralidade de leitos interconectados com fluidez e arranjados em série.

[072] Em uma representação, o catalisador compreende um catalisador de metal de transição suportado em um substrato de material carbonáceo. Isso pode ser produzido a partir da pirólise e/ou gaseificação parcial do material carbonáceo contendo ou estando impregnado com o metal. Alternativamente, o metal pode ser carregado/impregnado no carbono após os métodos comumente conhecidos pelos especialistas no assunto. Em uma representação preferível, o catalisador compreende Fe e/ou Ni suportado em carbono. Em outra representação, o catalisador pode ser o próprio carbono. Vantajosamente, o carbono produzido a partir da pirólise da biomassa contem abundantes espécies catalíticas inerentes, particularmente espécies de AAEM, que são bem dispersas no interior do carbono. Consequentemente, o carbono produzido a partir da pirólise pode ser usado para catalisar a decomposição dos resíduos de alcatrão no produto gasoso. No caso dos catalisadores de carbono ou suportados em carbono, os catalisadores podem ser produzidos a partir da pirólise de um material carbonáceo em um reator (ex., leito móvel) e então alimentado em uma zona de limpeza de gás. O material carbonáceo pode ser a carga (ex., biomassa) a ser gaseificada. Em outra representação

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 36/54 / 25 preferível, o catalisador compreende um núcleo de aço (tratado) como a ilmenita.

[073] O leito de catalisador pode ser integral com o reator de gaseificação e em comunicação de fluido com a zona de reforma. Em certas representações nas quais o catalisador compreende um catalisador de carbono ou suportado em carbono, o catalisador gasto pode ser descarregado na zona de gaseificação de carbono do reator de gaseificação e subsequentemente gaseificado. Dessa forma, nenhum fluxo de resíduo sólido ou líquido surge do tratamento do produto gasoso contaminado como descrito acima.

[074] Passar os voláteis parcialmente reformados e/ou o produto gasoso através de um leito de catalisador remove os contaminantes inorgânicos dos mesmos. AAEMs volatilizados condensam na superfície do catalisador sólido a uma temperatura apropriada, e os particulados também são apreendidos pelo leito de catalisador. Outros contaminantes inorgânicos como NH3, H2S e outros compostos contendo N, CI ou S são decompostos ou absorvidos através de contato com o catalisador sólido. Dessa forma, contaminantes inorgânicos como AAEMs são capturados no catalisador. Vantajosamente, os AAEMs aumentam a reatividade do carbono na zona de gasificação de carbono. Por conseguinte, o método 10 fornece um meio pelo qual contaminantes inorgânicos dos voláteis gerados a partir de materiais carbonáceos de baixa classificação podem ser convenientemente utilizados para aumentar a gaseificação do carbono. Os AAEMs subsequentemente reportam a cinzas.

[075] Passar voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso através do leito de catalisador também remove contaminantes orgânicos, como resíduos de alcatrão, por reações de reforma catalisadas, ex., com vapor. Vantajosamente, isso recupera a energia térmica (calor sensível) na energia química dos produtos de reforma. Alguns resíduos de alcatrão também são removidos pela formação de coque na superfície do catalisador sólido. Adicionalmente, o conteúdo de hidrogênio do produto gasoso pode ser aumentado passando-se o produto gasoso através do(s) leito(s) catalisador(es), porque na extremidade de temperatura mais baixa do leito de catalisador uma reação de deslocamento de água e gás (CO + H2O CO2 + H2) é favorecida.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 37/54 / 25 [076] A passagem dos voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso através do leito de catalisador pode ser realizada em um limite de temperatura de cerca de 1000°C a cerca de 200°C. Preferivelmente, a temperatura do leito de catalisador diminui progressivamente para cerca de 200°C na direção do fluxo de gás.

[078] O sistema de gaseificação 20 e um aparelho 30 para pirolisar material carbonáceo para uso no sistema de gaseificação 20 será agora descrito com referência às Figuras 2 e 3.

[079] O sistema de gaseificação 20 compreende um reator de gaseificação 21 tendo quatro zonas de reação integralmente definidas nele, a saber uma zona de pirólise 22, uma zona de gaseificação de carbono 23, uma zona de reforma 25, e um leito de catalisador 26. A zona de pirólise 22 está em comunicação de fluido com a zona de gaseificação de carbono 23 e a zona de reforma 25.

[080] Em geral o reator de gaseificação 21 é um reator de lado vertical tendo uma área de seção transversal substancialmente constante e substancialmente ao longo de todo o seu comprimento e/ou ao longo de uma direção de fluxo de material e/ou fluido. Onde for vantajoso variar o tempo de residência do material e/ou fluido no reator 21, e dependendo das características composicionais do material carbonáceo, a área de seção transversal do reator 21 pode ser variada ao longo do seu comprimento e/ou ao longo da direção do fluxo de material e/ou fluido. Preferivelmente o reator 21 é revestido com refratário.

[081] Uma parte superior do reator de gaseificação 21 é fornecida com uma entrada 28a para a introdução de um fluxo contínuo de material carbonáceo como a biomassa por um alimentador 28. O alimentador 28 está em comunicação de fluido com a entrada 28a do reator, e preferivelmente compreende um alimentador rotativo para minimizar problemas de bloqueio. O alimentador 28 preferivelmente também compreende um agitador associado a uma tremonha para armazenar biomassa. O agitador é posicionado de modo a minimizar o potencial de ligação de biomassa na tremonha.

[082] A zona de pirólise 22 é fornecida com um aparelho 30 (ver Figura 3) para pirolisar material carbonáceo. Qualquer pirolisador adequado como aqueles já conhecidos dos especialistas no assunto podem ser empregados.

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Exemplos ilustrativos de pirolisadores adequados incluem, mas não estão limitados a, leitos móveis, pirolisadores de parafuso/trado/forno, e uma combinação dos mesmos.

[083] O aparelho 30 pode ser configurado para facilitar a transferência do material carbonáceo progressivamente através do pirolisador para a zona de gaseificação de carbono, seja pela gravidade ou por meio de transferência mecânica. Preferivelmente, o aparelho 30 é adaptado para reter o material carbonáceo na zona de pirólise por um período suficientemente longo para converter substancialmente o material carbonáceo em carbono e voláteis.

[084] Na representação mostrada na Figura 2, a zona de pirólise 22 é fornecida com o aparelho 30 para aquecer material carbonáceo com um gás aquecido derivado da zona de gaseificação de carbono 23 para produzir voláteis e carbono. O aparelho 30 é mostrado mais detalhadamente na Figura 3.

[085] Em uma forma preferida, o aparelho 30 é espaçado da zona de gaseificação de carbono 23 e da zona de reforma 25 para facilitar a efetiva separação do carbono e voláteis resultantes produzidos no aparelho 30.

[086] O aparelho 30 inclui três pares de superfícies cônicas 32, 34, 36. Deve-se observar que o número dessas superfícies cônicas pode variar. Os pares de superfícies cônicas 32, 34, 36 são espaçados uns dos outros e colocados em alinhamento longitudinal espaçado ao longo do comprimento de um eixo rotativo 31. Cada par de superfícies cônicas 32, 34, 36 compreende uma superfície cônica invertida superior 32a, 34a, 36a espaçadas de uma superfície cônica vertical inferior oposta 32b, 34b, 36b.

[087] Preferivelmente os pares de superfícies cônicas 32, 34, 36 compreendem chapas de metal perfuradas apropriadas para a passagem de calor, e em particular gás quente através das mesmas. As chapas de metal também funcionam como condutores efetivos de calor para o aquecimento direto do material carbonáceo.

[088] As superfícies cônicas verticais inferiores 32b, 34b, 36b são fornecidas com uma abertura 32c, 34c, 36c concentricamente dispostas ao redor do eixo 31. O objetivo da abertura 32c, 34c, 36c é proporcionar a passagem do material carbonáceo das superfícies cônicas verticais inferiores

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32b, 34b, 36b para as superfícies cônicas invertidas superiores 34a, 36a e a zona de gaseificação de carbono 23 disposta imediatamente abaixo.

[089] Adicionalmente, o diâmetro da superfície cônica invertida superior 32a, 34a, 36a é menor do que o diâmetro da superfície cônica vertical inferior oposta 32b, 34b, 36b. Dessa forma, os materiais carbonáceos que residem na superfície cônica invertida superior 32a, 34a, 36a podem deslizar para fora da beirada da dita superfície e cair na superfície cônica vertical inferior oposta 32b, 34b, 36b disposta imediatamente abaixo.

[090] O aparelho 30 também inclui um ou mais meios de agitação 32d, 34d, 36d associados com cada respectivo par de superfícies cônicas 32, 34, 36. Deve-se observar que o número de meios de agitação não precisa ser igual ao número de pares de superfícies cônicas. Os meios de agitação 32d, 34d, 36d nesta representação em particular são braços rotativos. Os braços rotativos são espaçados por uma curta distância (ex., 2-5 mm) acima das superfícies cônicas invertidas superiores 32a, 34a, 36a e/ou acima das superfícies cônicas verticais opostas inferiores 32b, 34b, 36b. Os meios de agitação 32d, 34d, 36d são operáveis pela rotação do eixo rotativo 31. A velocidade rotacional do eixo 31 pode variar, dependendo das características do material carbonáceo, para controlar o tempo de residência da partícula na zona de pirólise. Em um exemplo, os braços rotativos giram a uma velocidade de 12 rpm.

[091] A rotação do eixo rotativo 31 faz com que os meios de agitação 32d, 34d, 36d desacomodem partículas de material carbonáceo residindo nas superfícies cônicas verticais inferiores 32b, 34b, 36b e faz com que elas passem através das respectivas aberturas 32c, 34c, 36c para as respectivas aberturas 32c, 34c, 36c para as superfícies cônicas invertidas imediatamente abaixo das mesmas. Similarmente, a rotação do eixo rotativo faz com que os meios de agitação 32d, 34d, 36d desacomodem partículas de material carbonáceo residindo nas superfícies cônicas invertidas superiores 32a, 34a, 36a e faz com que elas deslizem e caiam para fora da beirada das ditas superfícies e sejam coletadas na superfície cônica vertical inferior 32b, 34b, 36b imediatamente abaixo das mesmas.

[092] A velocidade de rotação do eixo pode ser alterada para variar o tempo de residência do material carbonáceo residindo nas superfícies cônicas

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 40/54 / 25 invertidas superiores 32a, 34a, 36a e superfícies cônicas verticais inferiores 32b, 34b, 36b. Dessa forma, o tempo de residência do material carbonáceo no aparelho 30 pode ser controlado para permitir um período suficiente para que o material carbonáceo seja substancialmente convertido em carbono e voláteis.

[093] O declive das superfícies cônicas pode ser variado para controlar o período de tempo em que as partículas de material carbonáceo residem nas ditas superfícies. Alternativamente, as superfícies cônicas podem ser giradas em relação aos meios de agitação.

[094] Outros meios apropriados já conhecidos para controlar o tempo de residência do material carbonáceo no aparelho 30 para promover substancialmente a completa pirólise do material carbonáceo em carbono e voláteis também podem ser empregados no processo e aparelho da presente invenção. Em adição às reações da pirólise, a carga também pode sofrer algumas extensões de gaseificação dentro do aparelho 30.

[095] A zona de gaseificação de carbono 23 é colocada em uma parte inferior do reator 21. A zona de gaseificação de carbono 23 pode ser fornecida com um ou mais leitos fixos ou leitos móveis com grelhas para apoio do carbono ao mesmo tempo em que permite que o gás contendo oxigênio e o vapor passem através do(s) leito(s) móvel(eis) e reajam com o carbono. Alternativamente, a zona de gaseificação de carbono 23 pode ser fornecida com um leito fluidificado borbulhante e um distribuidor de gás para fornecer gás contendo oxigênio e vapor.

[096] Na representação mostrada na Figura 2, o carbono é gaseificado em um leito fixo de forma cônica. O reator 21 é fornecido com uma entrada de gás contendo oxigênio 23a e uma entrada de vapor 23b. Prevê-se que ar seria geralmente usado para aplicações de pequena escala, assim como a gaseificação de biomassa, e que oxigênio puro ou diluído seria usado para aplicações de larga escala, assim como a gaseificação de carbono, particularmente quando a captura e armazenamento de dióxido de carbono são pretendidos ou quando o produto gasoso é usado para sintetizar combustíveis líquidos e substâncias químicas.

[097] A zona de gaseificação de carbono 23 é ainda fornecida com um dispositivo de descarga de cinzas 24, assim como uma tremonha fechada.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 41/54 / 25 [098] A zona de reforma 25 é colocada em uma parte superior do reator 21 e compreende um vazio definido pela parte superior do reator 21 no qual as reações de reforma de gás entre voláteis e vapor podem acontecer.

[099] A zona de reforma 25 está em comunicação de fluido com um leito de catalisador 26. Preferivelmente o leito de catalisador 26 é um leito móvel de catalisador sólido ou uma série de leitos de catalisadores. Em uma representação, a disposição do leito móvel é tal que o catalisador gasto é descarregado no reator 21. Por conseguinte, o leito de catalisador 26 é fornecido com um dispositivo de descarga de catalisador sólido 26a para reabastecer continuamente o leito móvel de catalisadores sólidos à medida em que o catalisador é descarregado do leito de catalisador 26. O leito de catalisador 26 é fornecido com uma saída 27 para a retirada do produto gasoso.

[100] O catalisador sólido no leito de catalisador pode tomar várias formas. Catalisadores de metal de transição (ex., Fe e/ou Ni) suportados em carbono são representações preferíveis, que podem ser produzidos pela pirolisação e gaseificação parcial de um material carbonáceo (ex., biomassa ou carvão marrom) carregado com metais de transição (ex., Fe e/ou Ni). O próprio carbono, sem metais carregados, pode ser o catalisador. Alternativamente, ilmenita, um minério de ferro, também pode ser usado como o catalisador sólido.

[101] Na Figura 4 é mostrada uma representação de um sistema 40 para produzir produto gasoso e carbono a partir de um material carbonáceo, em particular biomassa. O sistema 40 é para uso com representações do método 10 que compreende a etapa adicional de expor o produto gasoso e/ou voláteis parcialmente reformados ao carbono. O carbono produzido pelo método 10 pode ser usado como carvão ativado ou como um corretivo orgânico do solo e/ou para fixação do carbono.

[102] Nesse exemplo, uma carga de material carbonáceo com um conteúdo de umidade de até 60% em armazenagem 50 é alimentada em um secador 52 onde a umidade da carga é reduzida, preferivelmente para um conteúdo de umidade abaixo de 20%. O calor produzido por outras etapas do processo pode ser usado como um meio de aquecimento para o secador 52.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 42/54 / 25 [103] A carga parcialmente seca é então alimentada no pirolisador 54 onde a carga é aquecida de modo a produzir carbono e voláteis. Os inventores demonstraram que a pirólise da carga seca a uma temperatura moderada, assim como de cerca de 450°C a cerca de 550°C, libertaria uma parte substancial de potenciais voláteis da carga. Em adição, sob temperaturas moderadas de pirólise, espécies inorgânicas, assim como espécies de AAEM, tendem a ficar retidas no carbono. A retenção de espécies inorgânicas no carbono é particularmente benéfica porque aumenta a atividade catalítica do carbono e facilita a reciclagem de nutrientes inorgânicos de volta ao solo em instancias em que a biomassa pode ser usada como a carga e o carbono resultante é utilizado como um corretivo orgânico do solo.

[104] O pirolisador 54 pode ser configurado para facilitar a transferência do carbono do pirolisador 54 para um reator 60, seja pela gravidade ou meios de transferência mecânica.

[105] Antes da transferência do carbono para o reator 60, o carbono pode ser transferido e mantido temporariamente em uma câmara de armazenagem (não mostrado) que está em comunicação de fluido com o reator 60. A câmara de armazenagem pode ser fornecida com um meio de controle para controlar uma velocidade de fluxo de carbono para o reator 60.

[106] Após a pirólise, os voláteis são direcionados para um reformador de gás 56. O reformador de gás 56 é aquecido e uma quantidade desejada de vapor gerada no secador 52 é introduzida juntamente com um gás contendo oxigênio (O2), assim como oxigênio ou ar, no reformador de gás 56 através das respectivas entradas 56a e 56b onde os voláteis passam por reações de reforma de gás para produzir um produto gasoso bruto compreendendo amplamente CO e H2.

[107] Uma parte do produto gasoso bruto e/ou carbono pode ser direcionada, como indicado pelas linhas pontilhadas 54a e 56c, para um combustor 58 para combustão para produzir um gás de alta temperatura que pode ser usado para aquecer o reformador de gás 56 e o reator 60.

[108] O produto gasoso bruto produzido no reformador de gás 56 é introduzido no reator 60 que também retém o carbono produzido no pirolisador 54. O reator 60 é aquecido a uma temperatura de até 900°C e o carbono no mesmo se comporta como um catalisador sólido de modo a decompor

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 43/54 / 25 cataliticamente resíduos de alcatrão contidos no produto gasoso bruto para formar CO, H2 e outros gases combustíveis. Alguns resíduos de alcatrão também são removidos pela formação de coque na superfície do carbono. Outros contaminantes inorgânicos também são removidos do produto gasoso bruto pelo carbono. Por exemplo, espécies liberadas de AAEM e particulados inorgânicos também podem ser apreendidos pelo carbono e outros contaminantes inorgânicos tais como NH3, H2S e outros compostos contendo N, CI ou S são decompostos ou absorvidos através de contato com o carbono. Dessa forma, contaminantes inorgânicos como AAEMs são capturados no carbono. Vantajosamente, os AAEMs aumentam a reatividade do carbono.

[109] O produto gasoso bruto pode conter vapor excessivo e as condições operacionais no reator 60 são tais que, quando o produto gasoso bruto é colocado em contato com o carbono no reator 60, o carbono pode ser parcialmente gaseificado.

[110] A gaseificação parcial do carbono no reator 60 deveria preferencialmente ser realizada a uma temperatura de cerca de 700°C a cerca de 900°C. Vantajosamente, essas temperaturas promovem a formação de locais cataliticamente ativos no carbono para a decomposição de resíduos de alcatrão e ativação do carbono.

[111] Após a gaseificação parcial, o carbono gasto produzido pelo processo da presente invenção tem uma grande área de superfície, tipicamente acima de 700 m2 por grama de carbono. Alguns possíveis poluentes (ex., orgânicos) no carbono também são removidos no processo de gaseificação parcial. Importantemente, acima desse limite de temperatura, as espécies de AAEM inerentes no carbono são transformadas em formas mais lixiviáveis, o que facilita a reciclagem de nutrientes inorgânicos para o campo.

[112] O carbono gasto descarregado do reator 60 é armazenado em um recipiente 64. O carbono gasto contem abundantes espécies de AAEM e outros nutrientes inorgânicos, e pode ser facilmente devolvida ao solo como um corretivo orgânico do solo. A reciclagem do carbono dessa forma tem duas importantes vantagens: (1) a devolução de nutrientes inorgânicos no carbono ao campo, e (2) o sequestro do carbono, reduzindo assim as emissões de carbono em relação à geração de força. Esses fatores são importantes para o

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 44/54 / 25 desenvolvimento sustentável das comunidades rurais e regionais a longo prazo.

[113] As quantidades relativas de carbono e produto gasoso produzidas pelo método 40 (i.e., índice carbono-a-produto gasoso) podem ser variadas. Em uma representação, o reator 60 compreende uma zona de gaseificação parcial e uma zona de gaseificação completa. A zona de gaseificação parcial do reator 60 é operada sob condições nas quais o carbono é parcialmente gaseificado para produzir produto gasoso e carbono gasto, enquanto que a zona de gaseificação completa do reator 60 é operada sob condições nas quais o carbono é gaseificado para produzir gás e cinzas. Onde é requerido um grande volume de produto gasoso limpo, uma maior proporção relativa de carbono precisa ser transferida para a zona de gaseificação completa do reator 60. Alternativamente, onde é requerido um volume maior de carbono gasto, uma maior proporção relativa de carbono pode ser transferida para a zona de gaseificação parcial do reator 60.

[114] O sistema 20 ou 40 pode ser fornecido com meios para estabelecer, manter e/ou variar a distribuição de temperatura no interior do reator de gaseificação. Tais meios podem incluir controladores para controlar as taxas de alimentação para gás contendo oxigênio e/ou vapor. Por exemplo, de modo a aumentar a temperatura na zona de gaseificação de carbono, mais gás contendo oxigênio pode ser fornecido para promover reações exotérmicas com carbono no mesmo.

[115] Em algumas representações, o sistema 20 ou 40 compreende ainda uma pluralidade de sensores e sondas de amostragem de gás e sólidos.

[116] Como descrito detalhadamente acima, representações da presente invenção fornecem um eficiente método de gaseificação, especialmente para materiais carbonáceos de baixa qualificação, para manufaturar produto gasoso de relativamente alta qualidade para objetivos tais como geração de eletricidade, produção de calor e síntese química.

[117] Representações da presente invenção também fornecem catalisadores sólidos capazes de remover resíduos de alcatrão, outros contaminantes e espécies formadoras de poluentes do fluxo de produto gasoso bem como capazes de aumentar o conteúdo de hidrogênio no produto gasoso.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 45/54 / 25 [118] Pode-se observar que o calor sensível do produto gasoso pode ser eficientemente usado em uma troca indireta de calor com outros fluxos do processo na presente invenção, tais como vapor, antes desses fluxos serem introduzidos na zona de gaseificação de carbono. Alternativamente, o calor sensível do produto gasoso pode ser usado para secar o material carbonáceo antes de sofrer a gaseificação.

[119] Em algumas representações, particularmente no modo de inicialização do método de gaseificação 10, o produto gasoso pode ser submetido a combustão na zona de gaseificação de carbono para elevar a temperatura operacional na mesma e/ou submetido a combustão na zona de reforma para elevar a temperatura na mesma.

[120] Também pode ser observado que enquanto a descrição anterior se refere a sequências específicas de etapas do método, peças de sistemas, mecanismos e equipamento e sua configuração são fornecidos apenas com o objetivo ilustrativo e não pretendem limitar o escopo da presente invenção de nenhuma forma.

[121] Representações da presente invenção poderiam aumentar a eficiência da gaseificação. A tecnologia pode ser apropriadamente utilizada em, por exemplo, indústrias energéticas e químicas. Em particular, os inventores propõem que representações da presente invenção são apropriadas para geração de força distribuída usando biomassa de distribuição de tamanho de partícula relativamente ampla.

[122] Vantajosamente, o método 10 integra pirólise, a reforma de voláteis, a gaseificação de carbono e a limpeza do produto gasoso para dar uma configuração de gaseificador compacto para melhorar a eficiência e economia do processo.

[123] Fica claro para qualquer especialista na área que algumas representações da presente invenção podem proporcionar vantagens em relação ao estado da técnica incluindo, mas não limitado a, o seguinte:

- fornecer um processo de gaseificação, especialmente para gaseificar materiais carbonáceos de baixa qualificação que pode ser realizado em um único reator de gaseificação integrando gaseificação e limpeza com gás quente;

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- minimizar as interações entre voláteis e carbono durante a gaseificação do carbono, levando a um índice maior de gaseificação de carbono;

- minimizar o consumo direto de oxigênio por voláteis e seus produtos de reforma;

- promover a reação direta de carbono com oxigênio na zona de gaseificação de carbono para gerar o calor necessário para varias reações no interior do reator de gaseificação, recuperando assim a energia térmica dos produtos de gaseificação de carbono na forma de energia química como o produto gasoso;

- minimizar o consumo total de oxigênio para maximizar a eficiência da gaseificação;

- minimizar a quantidade de resíduos de alcatrão no produto gasoso, um problema que surge comumente na gaseificação de materiais carbonáceos de baixa qualificação, reformando resíduos de alcatrão com um catalisador;

- minimizar a volatilização de espécies inorgânicas, em particular AAEMs, que são comuns em materiais carbonáceos de baixa qualificação;

- remover os AAEMs volatilizados e impurezas formadoras de poluentes tais como NH3, HCN e H2S com o catalisador;

- o catalisador gasto deve ser descarregado, como uma forma de descarte, para a zona de gaseificação de carbono e gaseificado oxidativamente, contribuindo assim para a produção de energia térmica no reator sem gerar um fluxo adicional de resíduos líquidos ou sólidos;

- o catalisador pode ser usado para promover a reação de deslocamento de água e gás aumentando assim o conteúdo de hidrogênio do produto final sem os problemas convencionais associados à desativação, regeneração e descarte do catalisador.

[124] Numerosas variações e modificações surgirão aos especialistas na área, alem daquelas já descritas, sem se afastar dos conceitos inventivos básicos. Todas essas variações e modificações devem ser consideradas dentro do escopo da presente invenção, cuja natureza deve ser determinada a partir da descrição anterior. Por exemplo, deve-se observar que representações desta invenção são capazes de ser praticadas e realizadas de varias formas tanto em pequena (poucos megawatts ou menos) quanto em larga (algumas centenas de megawatts) escala.

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 47/54 / 25 [125] Na descrição desta invenção, exceto onde o contexto requer outra forma devido a linguagem expressa ou implicação necessária, os termos “compreender” ou variações como “compreende” ou “compreendendo” são usados em um sentido inclusivo, i.e., para especificar a presença de aspectos estabelecidos, mas não para impedir a presença ou adição de outros aspectos em varias representações da invenção.

Claims (21)

1. Método para gaseificar material carbonáceo (10), o método compreendendo as etapas de:

pirólise do material carbonáceo para produzir produtos voláteis e carbono (12);

separar o carbono e os voláteis (14);

gaseificar o carbono (16);

reformar os voláteis para produzir um produto gasoso (18); e, passar os voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso (19) através de uma zona de limpeza de produto gasoso;

caracterizado por pelo menos as etapas de pirólise do material carbonáceo (12), gaseificação de carbono (16), e reforma dos voláteis para produzir um produto gasoso (18) serem realizadas num reator (21) que tem uma zona de pirólise (22), uma zona de gaseificação de carbono (23), e uma zona de reforma (25), pelo que após a pirolise (12), os voláteis sobem para a zona de reforma (25) e o carvão desce para a zona de gaseificação (23);

pelo que a zona de limpeza de produto gasoso compreende ao menos um leito de catalisador (26); e, pelo que a zona de limpeza de produto gasoso está em comunicação de fluido com a zona de reforma (25) em um arranjo pelo qual voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasosos passam através da zona de limpeza de produto gasoso.

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2. Método (10) de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a etapa de pirólise de material carbonáceo (12) ser realizada usando um aparelho de pirólise.

3 / 4 fazer reagir o carvão com uma quantidade controlada de um gás contendo oxigênio.

3. Método (10) de acordo com a reivindicação 1 ou 2 caracterizado por o leito de catalisador compreender um leito móvel de catalisador sólido.

4 / 4

4. Método (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 caracterizado por a zona de limpeza de produto gasoso compreender uma pluralidade de leitos de catalisador (26) arranjados em série.

5. Método (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4 caracterizado por o leito de catalisador (26) compreender carvão, um catalisador suportado em carvão ou ilmenita.

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6. Método (10) de acordo com a reivindicação 5 caracterizado por quando o leito de catalisador (26) compreender carvão ou catalisador suportado em carvão, o carvão ou o catalisador suportado em carvão é preparado a partir de pirólise e/ou gaseificação parcial de material carbonáceo.

7. Método (10) de acordo com a reivindicação 5 caracterizado por o método (10) compreender ainda descarte do carvão gasto ou catalizador a base de carvão do leito de catalisador (26) e gaseificação (16) do carvão gasto ou catalisador a base de carvão.

8. Método (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 caracterizado por os voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso passar através do leito de catalisador (26) para remover produtos contaminantes do mesmo.

9. Método (10) de acordo com a reivindicação 8 caracterizado por os contaminantes inorgânicos compreenderem espécies de metal alcalino ou alcalino-terroso ou particulados.

10. Método (10) de acordo com a reivindicação 9 caracterizado por os contaminantes compreenderem ainda compostos contendo N-, S- ou Cl-.

11. Método (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10 caracterizado por os voláteis parcialmente reformados e/ou produtos gasosos passar através do leito de catalisador (26) para remover contaminantes orgânicos do mesmo por reações de reforma com catalisador, onde os contaminantes compreendem resíduos de alcatrão.

12. Método (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11 caracterizado por a etapa de pirólise do material carbonáceo compreender aquecimento do material carbonáceo com um fluxo de contra-corrente de gás quente.

13. Método (10) de acordo com a reivindicação 12 caracterizado por o gás quente ser produzido na zona de gaseificação de carbono (23).

14. Método (10) de acordo com a reivindicação 12 caracterizado por o gás quente ser produzido a partir do produto gasoso de combustão em uma zona de gaseificação (23) de carbono ou zona de reforma (25).

15. Método (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14 caracterizado por a etapa de gaseificação do carvão (16) compreender em

Petição 870180138532, de 07/10/2018, pág. 50/54

16. Sistema de gaseificação (20) para realizar o método de gaseificação de um material carbonáceo conforme definido na reivindicação 1, onde o sistema de gaseificação (20) compreende:

uma zona de reforma (25) para reformar voláteis para produzir um produto gasoso (18);

uma zona de gaseificação de carvão (23) para gaseificar carvão (16);

uma zona de pirólise (22) para pirólise de material carbonáceo sendo colocada intermediária a zona de reforma (25) e à zona de gaseificação do carvão (23), a zona de pirólise (22) estando em comunicação de fluido com a zona de reforma (25) e a zona de gaseificação de carvão (23) em um arranjo em que os voláteis e o carvão formados na zona de pirólise (22) são separados e direcionados de forma que os voláteis sobem para a zona de reforma (25) e o carvão desce para a zona de gaseificação de carvão (23), respectivamente; e, uma zona de limpeza de produto gasoso em comunicação de fluido com a zona de reforma (25), em um arranjo em que os voláteis parcialmente reformados e/ou produto gasoso passam através da zona de limpeza de produto gasoso;

caracterizado por o sistema de gaseificação (20) compreender um reator (21) tendo nele definidos as zonas de reforma (25), de gaseificação de carvão (23), e de pirólise (22), e a zona de limpeza de produto gasoso compreender ao menos um leito de catalisador (26).

17. Sistema (20) de acordo com a reivindicação 15 caracterizado por a zona de pirólise (22) compreender um aparelho de pirólise.

18. Sistema (20) de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizado por a zona de gaseificação de carvão (23) estar disposta numa porção inferior do reator de gaseificação (21).

19. Sistema (20) de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 18, caracterizado por a zona de reforma (25) estar disposta numa porção superior do reator de gaseificação (21).

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20. Sistema (20) de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 19, caracterizado por uma parte do carvão formado na zona de pirólise (22) ser separada do material carbonáceo restante como um catalisador de limpeza de gás e direcionado para a zona de limpeza de produto gasoso.

21. Sistema (20) de acordo com uma das reivindicações 16 a 20, caracterizado por o sistema de gaseificação (20) ser provido com uma zona de armazenamento de carvão disposta entre a zona de pirólise (22) e a zona de limpeza de produto gasoso, e um sistema de controle que lhe estão associados, o sistema de controle estando disposto, em uso, para controlar a taxa de fluxo de carvão para a zona de limpeza do produto gasoso.