BR112013005718B1 - aparelho de pirólise de alimentação carbonácea, e, processo de produção de bio-óleo - Google Patents

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Abstract

aparelho de pirólise de alimentação carbonácea, e, processo de produção de bio-óleo. a invenção fornece um aparelho de pirólise de alimentação carbonácea incluindo dois ou mais leitos fluidizados de partículas quentes, e um ou mais aparelhos de deslocamento positivo para a transferência de partículas quentes entre dois ou mais dos leitos, sendo quem um ou mais dos leitos fluidizados contém/contêm uma zona de combustão. a invenção inclui um processo de produção de bio-óleo, incluindo pirólise de uma biomassa carbonácea, cujo processo inclui 2 ou mais leitos fluidizados, uma primeira zona de combustão realizada em um ou mais leitos fluidizados de combustão nos quais um material particulado é fluidizado e aquecido, e uma segunda zona de pirólise realizada em um ou mais leitos fluidizados de pirólise nos quais as partículas quentes aquecidas na zona de combustão são usadas para pirólise de biomassa, dita zona de combustão sendo operada na ou a cerca da pressão atmosférica em uma temperatura de 400<198>c a 1.100<198>c, tipicamente ao redor de 900<198>c, e a zona de pirólise sendo operada em uma pressão desde a pressão atmosférica até 10.000 kpa (nanométrica) em uma temperatura de 400<198>c a 900<198>c.

Description

“APARELHO DE PIRÓLISE DE ALIMENTAÇÃO CARBONÁCEA, E, PROCESSO DE PRODUÇÃO DE BIO-ÓLEO”
Campo da invenção
A invenção refere-se à pirólise de material carbonáceo, tal como biomassa, em um aparelho de pirólise em leito fluidizado.
Fundamentos da invenção
A pirólise rápida de biomassa envolve aquecer rapidamente biomassa sólida para uma temperatura de 400°C a 600°C em condições redutoras de modo que ela forme um óleo. Isto é tipicamente realizado em um leito fluidizado, onde aproximadamente 60% da biomassa original pode ser recuperado como óleo. A pirólise é de natureza endotérmica, e a energia exigida é tipicamente obtida pelo aquecimento do leito fluidizado indiretamente, usando elementos de aquecimento elétrico.
A fonte de calor para aquecer o leito fluidizado é areia que é aquecida usando elementos de aquecimento elétricos para fornecer a energia para a reação endotérmica. A energia elétrica é continuamente exigida com o propósito de manter a reação de pirólise.
Com o objetivo de reduzir a demanda de energia elétrica, o carvão produzido pela pirólise da biomassa é reciclado como um combustível para a reação de pirólise onde ele é comburido para fornecer um pouco da energia exigida para manter a reação de pirólise, contudo, isto é feito à custa da perda de carvão.
Os inventores têm portanto identificado uma necessidade de um aparelho de pirólise mais eficiente para a pirólise de biomassa simultaneamente reduzindo a necessidade de uma fonte de energia externa e a possibilidade de permitir que um pouco do ou todo o carvão assim produzido seja retido para uso alternativo em vez de como um combustível para a pirólise.
Sumário da invenção
Como reivindicado em um primeiro aspecto da invenção, é fornecido um aparelho de pirólise de alimentação carbonácea incluindo dois ou mais leitos fluidizados de partículas quentes, e um ou mais aparelhos de deslocamento positivo para a transferência das partículas quentes entre dois ou mais dos leitos.
Um ou mais dos leitos fluidizados podem conter uma zona de combustão.
Um ou mais dos leitos fluidizados podem conter uma zona de pirólise.
O aparelho de deslocamento positivo pode ser um alimentador de fuso roscado ou semelhante.
O alimentador de fuso roscado pode ser acionado por um motor acionador de velocidade variável ou por um motor acionador de velocidade constante.
As partículas quentes nos leitos fluidizados podem ser partículas de areia.
As partículas quentes nos leitos fluidizados podem ser principalmente partículas de catalisador.
As partículas de catalisador podem ser partículas de zeólita.
As partículas de catalisador são tipicamente partículas de catalisador de craqueamento tais como partículas de zeólita ácida.
O aparelho pode incluir uma ou mais válvulas “L” entre as zonas de combustão e de pirólise de modo que as partículas quentes possam fluir da zona ou das zonas de combustão para a zona ou as zonas de pirólise simultaneamente impedindo o fluxo de gás na direção oposta.
O aparelho como descrito acima, incluindo um duto de reciclo para o gás produzido na zona de pirólise para a zona de combustão para a combustão para o aquecimento das partículas quentes.
O leito fluidizado de combustão pode incluir bocais de leito fluidizado por meio dos quais o gás de fluidização, e também ou quaisquer gases de combustão, são injetados para dentro do leito fluidizado através de um ou mais bocais em uma porção base do leito fluidizado.
O leito fluidizado de pirólise pode ter um arranjo de bocais similares para o gás de fluidização.
Em ambos os casos o arranjo de bocais é selecionado em vez de o arranjo plenum padrão permitindo a remoção das partículas quentes da base dos leitos fluidizados pelo aparelho de deslocamento positivo com um volume de retenção menor porque as partículas quentes podem cair na frente dos bocais para extração.
Ar pode entrar descendentemente ou ascendentemente através dos bocais para dentro dos leitos fluidizados. Jatos horizontais podem evitar que areia flua para dentro da linha de fornecimento de ar. A linha ou o duto de gás de reciclo pode entrar tão próxima(o) quanto possível do bocal, onde se mistura com ar frio, e combure dentro do leito fluidizado.
O aparelho pode incluir um separador de carvão após o leito fluidizado de pirólise por meio do qual o carvão pode ser capturado. Tipicamente o carvão capturado pode ser reciclado para o leito fluidizado de combustão ou ser usado para outros propósitos não relacionados com a operação do aparelho de pirólise. O separador de carvão pode ser um ciclone.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecido um processo de produção de bio-óleo, dito processo incluindo pirólise de uma biomassa carbonácea, cujo processo inclui 2 dois ou mais leitos fluidizados, uma primeira zona de combustão realizada em um ou mais leitos fluidizados de combustão nos quais um material particulado é fluidizado e aquecido, e uma segunda zona de pirólise realizada em um ou mais leitos fluidizados de pirólise nos quais as partículas quentes aquecidas na zona de combustão são usadas para pirólise da biomassa, dita zona de combustão sendo operada na ou a cerca da pressão atmosférica e em uma temperatura de 400°C a 1.100°C, tipicamente ao redor de 900°C, e a zona de pirólise sendo operada em uma pressão desde a pressão atmosférica até 10.000 kPa (manométrica) em uma temperatura de 400°C a 900°C, tipicamente de 500°C a 600 °C.
O gás de pirólise da zona de pirólise pode ser pelo menos parcialmente reciclado para a zona de combustão como uma fonte de combustível para a combustão usada para aquecer as partículas.
As partículas quentes podem ser partículas de areia, ou partículas de catalisador como descritas acima.
A zona de pirólise pode ser operada na ou a cerca da pressão atmosférica.
O uso de catalisador na zona de pirólise pode permitir maior velocidade de produção de biomassa porque mais CO2 é produzido e portanto a reação será menos endotérmica.
O catalisador é tipicamente de um catalisador de craqueamento tal como uma zeólita ácida.
A área do leito fluidizado de combustão pode ser 2-6 vezes maior do que a área do leito de pirólise, tipicamente de 3-4 vezes maior. Isto pode ser mais energeticamente eficiente porque menos entalpia das partículas quentes é usada para reaquecer os gases reciclados, e mais entalpia é utilizada conduzir a reação de pirólise endotérmica.
A velocidade gasosa superficial (superficial gas velocity, SGV) pode ser alta no leito fluidizado de combustão em uma velocidade de 1 m/s a 4 m/s, tipicamente de 2 m/s, com o propósito de comburir o máximo de oxigênio possível em um leito de uma dada área.
A velocidade gasosa superficial do gás de pirólise de reciclo pode ser tão baixa quanto possível simultaneamente ainda alcançando boa fluidização e por conseguinte boa misturação.
A SGV no leito fluidizado de pirólise pode ser de 0,2 a 2 m/s, tipicamente de 0,5 m/s. Acredita-se que nesta maneira menos entalpia é perdida por meio de aquecimento do gás de reciclo frio. A biomassa também entra como um sólido, e sai como um gás, aumentando com isso a velocidade gasosa superficial à medida que ocorre a reação de pirólise. A SGV do gás de pirólise reciclado é controlada ou selecionada em relação com o grau de suspensão das partículas quentes na zona de combustão e por conseguinte se suspensão alta ocorre a 2,5 m/s, por exemplo, uma SGV baixa de gás de pirólise de reciclo pode ser selecionada com o propósito de permitir velocidade de produção mais alta de biomassa antes que a SGV se tome inaceitavelmente alta devido à vaporização da biomassa.
Fornecimento de ar para o leito fluidizado pode ser preaquecido por troca de calor dos gases saindo da zona de combustão. Isto pode substancialmente reduzir a área do leito fluidizado exigida na zona de combustão para aquecer uma dada taxa de fluxo de massa de partículas quentes. Também pode reduzir a quantidade de carbono que é comburida para formar CO2, tomando o processo mais ambientalmente benéfico.
A temperatura do leito fluidizado de combustão pode ser controlada pela variação da taxa de transferência de partículas quentes da zona de pirólise para a zona de combustão, por exemplo, pela variação da velocidade de um motor acionando o aparelho de deslocamento positivo tal como um alimentador de fuso roscado usado para esta finalidade.
A taxa de fluxo de ar é tipicamente fixada para proporcionar uma SGV constante através da zona de combustão. A taxa de fluxo de gás (gás de reciclo) pode ser ajustada com o propósito de garantir que sempre haja suficiente excesso de oxigênio no gás saindo da câmara de combustão. Este pode ser estimado pela medição da concentração de CO2 nos gases de saída e inferindo o excesso de oxigênio.
A temperatura na zona de pirólise é controlada pela variação da taxa de biomassa entrando na zona de pirólise. A taxa de fluxo de gás de reciclo é tipicamente fixada com o propósito de garantir fluidização adequada no leito fluidizado de pirólise.
Os leitos fluidizados podem incluir zonas de desligamento. A pressão nas zonas de desligamento de ambos os leitos fluidizados de pirólise e de combustão pode estar próxima da pressão atmosférica por causa da dificuldade de vedação adequada em temperaturas altas. A pressão na zona de escapamento pode ser controlada pelo controle da velocidade de uma ventoinha de tiragem induzida (induced draft (ID) fan) ou pelo controle de uma montagem de registro de tiragem (damper setting) em uma linha de pressão baixa.
A pressão na zona de pirólise pode ser controlada pela variação da quantidade de gás de purga liberada da corrente de gás de reciclo.
Se partículas de catalisador são usadas no lugar de areia quente, a zona de combustão também serve para regenerar o catalisador à medida que ele combure qualquer carvão formado dentro dos poros das partículas durante a pirólise.
Descrição de uma modalidade da invenção
A invenção será agora descrita, apenas à guisa de exemplo não-limitante, com referência aos fluxograma e desenhos diagramáticos acompanhantes, Figuras 1 e 2.
Em Figura 1 é mostrado um aparelho de pirólise em leito fluidizado dual da invenção;
Em Figura 2 é mostrado um arranjo de bocais para os leitos fluidizados de Figura 1; e
Em Figura 3 é mostrada outra modalidade do aparelho de pirólise de Figura 1.
No fluxograma 10 de Figura 1, representando uma modalidade desta invenção, um aparelho de pirólise 12 e um processo de pirólise são fornecidos para rapidamente aquecer biomassa a ser pirolisada para bio-óleo por misturação dela em um leito fluidizado de pirólise 14 com partículas quentes, na forma de areia quente 16, de um leito fluidizado separado operando em condições de combustão.
O leito fluidizado de combustão 18 tem uma área de seção transversal 3 a 4 vezes aquela da área de seção transversal do leito fluidizado de pirólise 14.
Em Figura 1, o leito fluidizado de combustão 18 é mantido quente, tipicamente ao redor de 900°C, por queima de gás combustível e carvão. A areia quente 16 é movida da região de combustão 15 para a região de pirólise 17 por meio de uma válvula “L” 20 que é conhecida na tecnologia de leito fluidizado.
A reação de pirólise esfria a areia para 500-600°C, e a areia esfriada é retomada para um transportador de fuso roscado 22 para o leito fluidizado de combustão quente 18 para reaquecimento.
Um pouco de carvão é suspenso com a areia embora a maior parte do carvão será suspensa com o gás e será controlada pelo ciclone 24. O carvão na areia queimará dentro do leito fluidizado, para proporcionar pelo menos parte da energia exigida. Mais energia pode ser fornecida da purga do circuito de gás de pirólise 26. 2/3 da energia exigida para combustão pode provir dos gases de pirólise que são gases combustíveis. Estes gases são introduzidos diretamente dentro dos bocais do leito fluidizado 28 com o gás de pirólise de reciclo sendo alimentado concentricamente com o tubo de fornecimento de ar para dentro dos tubos de alimentação de gás de leito fluidizado para os bocais do leito fluidizado. E preferível usar o gás como a fonte de calor economizando com isso o carvão, porque o carvão é um recurso valioso para agricultores; ele melhora o solo quando é introduzido no mesmo.
Como mostrado em Figura 2, o ar 30 pode entrar nos leitos fluidizados 14, 18 através dos bocais quer descendentemente, como indicado, quer ascendentemente. Os jatos horizontais estão projetados para prevenir que areia flua para dentro da linha de fornecimento de ar. A linha de gás 32 entra tão próxima quanto possível no bocal 34 (28), onde há a mistura do gás da linha com o ar frio, e o gás é comburido dentro do leito fluidizado
Em outra modalidade representada pelo mesmo fluxograma de Figura 1, a areia 16 que é usada para o leito dos leitos fluidizados 14, 18 da primeira modalidade é substituída por catalisador que fornece um bio-óleo mais estável do que quando se usa apenas areia. O teor de oxigênio do óleo pode ser reduzido nesta maneira (sendo removido como CO2). Sem este tratamento, os óleos são reativos e oligomerizam no decorrer do tempo para se tomarem um sedimento intratável. O óleo cataliticamente tratado pode ser misturado com matérias-primas de refinaria para formar combustível de transporte.
Em temperaturas pirolíticas, catalisadores são propensos à coqueificação, que os desativa. Durarão apenas 5 minutos nestas condições. O catalisador pode ser renovado pela queima do carbono. O sistema de leito fluidizado dual da invenção proporciona as condições ideais para regeneração contínua do catalisador de pirólise à medida que as partículas de catalisador que são retomadas pelo alimentador de fuso roscado para o leito fluidizado de combustão são aquecidas para cerca de 900°C o que regenera o catalisador continuamente.
Em Figura 3, o fluxograma de Figura 1 é modificado pelo fato de que a areia quente é movida da região de combustão para a região de pirólise por meio de uma válvula “Z” que é nova na tecnologia de leito fluidizado.
Diferente das válvulas L 20 de Figura 1, nas quais a seção tubular inferior está a 90° em relação à vertical, o projeto de válvula “Z” nãomecânica 36 faz uso de um ângulo mais próximo de 135°, como mostrado entre Leito A 38 (equivalente a 18 em Figura 1) e Leito B 40 (equivalente a 14 em Figura 1) em Figura 3. Isto permite o transporte sem auxílio dos sólidos através da válvula porque apenas gravidade é exigida como a força motriz para o fluxo de sólidos.
Acredita-se que uma vantagem da invenção é que é realizada pirólise mais eficiente e também é obtido bio-óleo de melhor qualidade, enquanto que o carvão que é produzido pode ser usado para outras finalidades.

Claims (11)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Aparelho de pirólise de alimentação carbonácea incluindo dois ou mais leitos fluidizados de partículas quentes (B40, A38), e um ou mais aparelhos de deslocamento positivo para a transferência das partículas quentes entre dois ou mais dos leitos (B40, A38), em que um ou mais dos leitos fluidizados (B40, A38) contém/contêm uma zona de combustão, e em que um ou mais dos leitos fluidizados (B40, A3 8) contém/contêm uma zona de pirólise, caracterizado pelo fato de que o aparelho inclui um ou mais meios de válvula (36) entre as zonas de combustão e de pirólise de modo que as partículas quentes fluam da zona ou das zonas de combustão para a zona ou as zonas de pirólise enquanto impedindo o fluxo de gás na direção oposta, em que a válvula (36) é uma válvula não-mecânica com uma seção tubular inferior fazendo uso de um ângulo entre 120° e 150° a partir do vertical, preferivelmente de 135° a partir do vertical, entre as zonas de combustão e de pirólise de modo que as partículas quentes fluam da zona ou das zonas de combustão para a zona ou as zonas de pirólise enquanto impedindo o fluxo de gás na direção oposta.
  2. 2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o leito de combustão fluidizado (A3 8) e o leito de pirólise fluidizado (B40) incluem bocais de leito fluidizado por meio dos quais o gás de fhiidização para o leito de pirólise fluidizado (14, B40), ou o gás de fluidização bem como também ou quaisquer gases de combustão para leito de combustão fluidizado (A38), respectivamente, são injetados para dentro do leito fluidizado (A38, B40) através de um ou mais bocais em uma porção da base dos leitos fluidizados (A3 8, B40).
  3. 3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o arranjo de bocais permite a remoção das partículas quentes da base dos leitos fluidizados (B40, A38) pelo aparelho de deslocamento
    Petição 870190067377, de 17/07/2019, pág. 11/13 positivo com um volume de retenção menor porque as partículas quentes caem em frente dos bocais para extração.
  4. 4. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o aparelho inclui um separador de carvão após o leito fluidizado de pirólise (B40) pelo qual carvão é capturado.
  5. 5. Processo de produção de bio-óleo, dito processo, caracterizado pelo fato de incluir pirólise de uma biomassa carbonácea, cujo processo inclui o uso de um aparelho de pirólise de alimentação carbonácea como definido em qualquer umas das reivindicações 1 a 4, o referido aparelho compreendendo dois ou mais leitos fluidizados (B40, A3 8), uma primeira zona de combustão realizada em um ou mais leitos fluidizados de combustão (A3 8) nos quais um material particulado é fluidizado e aquecido, e uma segunda zona de pirólise realizada em um ou mais leitos fluidizados de pirólise (B40) nos quais as partículas quentes aquecidas na zona de combustão são usadas para pirólise da biomassa, dita zona de combustão sendo operada em pressão atmosférica e em uma temperatura de 400°C a 1.100 °C, preferivelmente de 900°C, e a zona de pirólise sendo operada em uma pressão da pressão atmosférica até 10.000 kPa (manométrica) em uma temperatura de 400°C a 900°C.
  6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o gás de pirólise da zona de pirólise é pelo menos parcialmente reciclado para a zona de combustão como uma fonte de combustível para a combustão usada para aquecer as partículas.
  7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a zona de pirólise é operada em pressão atmosférica.
  8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o catalisador é um catalisador de zeólita ácida.
  9. 9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5
    Petição 870190067377, de 17/07/2019, pág. 12/13 a 8, caracterizado pelo fato de que a área do leito fluidizado de combustão (A3 8) é 2-6 vezes maior do que aquela do leito de pirólise (B40).
  10. 10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 9, caracterizado pelo fato de que a temperatura do leito fluidizado de
    5 combustão (A3 8) é controlada pela variação da taxa de transferência de partículas quentes da zona de pirólise para a zona de combustão.
  11. 11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 10, caracterizado pelo fato de que onde as partículas de catalisador são usadas como as partículas quentes, a zona de combustão também serve para
    10 regenerar o catalisador à medida que ele queima qualquer coque formado dentro dos poros das partículas durante a pirólise.
BR112013005718A 2010-09-10 2011-09-08 aparelho de pirólise de alimentação carbonácea, e, processo de produção de bio-óleo BR112013005718B1 (pt)

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