BR112013021459B1

BR112013021459B1 - Remoção e recuperação de calor em pirólise de biomassa

Info

Publication number: BR112013021459B1
Application number: BR112013021459-7A
Authority: BR
Inventors: Sathit Kulprathipanja; Paolo Palmas; Daniel N. Myers
Original assignee: Ensyn Renewables, Inc.
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2019-10-01
Also published as: CA2828037C; CA2828037A1; US11028325B2; DK2678405T3; BR112013021459A2; EP2678405A4; WO2012115754A3; MY178211A; RU2582607C2; US20160348005A1; CN103649276A; RU2013143017A; EP2678405A2; CN103649276B; US20120214113A1; EP2678405B1; WO2012115754A2; US9441887B2

Abstract

remoção e recuperação de calor em pirólise de biomassa trata-se de métodos e aparelhos de pirólise que permitem uma remoção de calor efetiva, por exemplo, quando for necessário alcançar um rendimento desejado ou processar um tipo desejado de biomassa. de acordo com métodos representativos, o uso de um meio de arrefecimento (por exemplo, água), seja como um tipo primário ou como um tipo secundário de remoção de calor, permite um controle maior das temperaturas de processo, particularmente no reaquecedor onde carvão, como um subproduto sólido de pirólise, é queimado. o meio de arrefecimento pode ser distribuído a um ou mais locais dentro do recipiente do reaquecedor, tal como acima e/ou dentro de um leito de fase densa de partículas fluidizadas de um transportador de calor sólido (por exemplo, areia) para controlar melhor a remoção de calor.

Description

REMOÇÃO E RECUPERAÇÃO DE CALOR EM PIRÓLISE DE BIOMASSA

DECLARAÇÃO DE PRIORIDADE

Este pedido reivindica prioridade ao Pedido U.S. No. 13/031.701 depositado em 22 de fevereiro de 2011, estando os conteúdos deste aqui incorporados em sua totalidade a título de referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção refere-se a métodos e aparelhos de pirólise em que um transportador de calor sólido (por exemplo, areia) é separado do efluente do reator de pirólise e resfriado por um meio de arrefecimento (por exemplo, água) para aperfeiçoar o controle de temperatura. O resfriamento com um meio de arrefecimento pode ocorrer em ou acima de um leito fluidizado do transportador de calor, em que o subproduto de carvão sólido é queimado para proporcionar parte ou todo o calor necessário para conduzir a pirólise.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

Questões ambientais em relação a emissões de gás estufa provenientes do uso de combustíveis fósseis levaram a uma ênfase crescente sobre fontes de energia renováveis. Madeira e outras formas de biomassa, incluindo resíduos agrícolas e florestais são exemplos de alguns dos muitos tipos de matérias-primas renováveis sendo consideradas para a produção de combustíveis líquidos. A energia proveniente da biomassa com base em cultivos energéticos, tais como plantações de curta rotação, por exemplo, pode contribuir significativamente no tocante aos objetivos do Protocolo de Kyoto em reduzir as emissões de gases estufa (GHG).

A pirólise é considerada uma rota promissora para a obtenção de combustíveis líquidos, incluindo combustível para transporte e óleo de aquecimento, a partir de matérias-primas de biomassa. A pirólise se refere à decomposição térmica na ausência substancial de oxigênio (ou na presença de significativamente menos oxigênio do que necessário para completar a combustão). Tentativas iniciais para obter óleos úteis provenientes de pirólise de biomassa produziram predominantemente uma ardósia produto de equilíbrio (isto é, os produtos de pirólise lenta). Além do produto líquido desejado, proporções aproximadamente iguais de sólidos não-reativos (carvão e cinzas) e gases não-condensáveis foram obtidas como subprodutos indesejados. Mais recentemente, no entanto, rendimentos significativamente aperfeiçoados de líquidos e gases primários de não-equilíbrio (incluindo produtos químicos valiosos, intermediários químicos, petroquímicos, e combustíveis) foram obtidos a partir de matérias-primas carbonáceas através de pirólise rápida (veloz ou instantânea) em detrimento de produtos de pirólise lenta indesejáveis.

Em geral, uma pirólise rápida se refere a tecnologias que envolvem uma transferência de calor rápida à matéria-prima de biomassa, que é mantida em uma temperatura relativamente alta durante um período de tempo bastante curto. A temperatura dos produtos de pirólise primária é, então, rapidamente reduzida antes de o equilíbrio químico ser obtido. Portanto, o resfriamento rápido evita que os intermediários de reação valiosos, formados pela despolimerização e pela fragmentação dos blocos de construção de biomassa, ou seja, celulose, hemicelulose, e lignina, se degradem em produtos finais não-reativos de baixo valor. Descreve-se uma série de processos de pirólise rápida em US 5.961.786; no Pedido de Patente Canadense 536.549; e por Bridgwater, A.V., Biomass Fast Pyrolysis, Review paper BIBLID: 0354-9836, 8 (2004), 2, 21-49. Os processos de pirólise rápida incluem um Processamento Térmico Rápido (RTP), em que um se usa um particulado inerte ou um particulado sólido catalítico para transportar e transferir calor à matériaprima. RTP vem sendo comercializado e operado com rendimentos bastante favoráveis (55 a 80%, em peso, dependendo da matéria-prima de biomassa) de óleo bruto de pirólise.

Portanto, os processos de pirólise, como RTP dependem de uma transferência de calor rápida a partir do transportador de calor sólido, genericamente sob a forma de particulado, até o reator de pirólise. Ά combustão de carvão, um subproduto sólido da pirólise, representa uma fonte importante do requerimento de calor significativo para conduzir a reação de pirólise. A integração de calor efetiva entre, e a recuperação, a reação de pirólise e as seções de combustão (ou reaquecedor) representa um objetivo significativo em termos de aperfeiçoamento da economia geral da pirólise, sob restrições operacionais e da capacidade do equipamento, para uma determinada matéria-prima. Como resultado, há uma necessidade permanente na técnica por métodos de pirólise que agreguem flexibilidade em termos de gerenciar o calor de combustão substancial, sua transferência à mistura de reação de pirólise, e sua recuperação para uso em outras aplicações.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção se associa à descoberta de métodos e aparelhos de pirólise que permitem uma remoção de calor efetiva, por exemplo, quando for necessário alcançar um rendimento desejado. Dependendo da carga de pirólise usada, a capacidade de processamento pode se tornar limitada, não pelo tamanho do equipamento, mas pela capacidade de remover calor a partir do sistema geral, conforme necessário para operar dentro das temperaturas projetadas. Embora alguns esquemas de remoção de calor, tal como passar o transportador de calor reciclado (por exemplo, areia) através de um resfriador, possam ser efetivos em determinadas circunstâncias, eles podem não se aplicáveis a todos os sistemas de pirólise em termos de satisfazer objetivos de custos e desempenho. Os métodos e aparelhos descritos no presente documento, que envolvem o uso de um meio de arrefecimento, representam alternativas genericamente menos dispendiosas para proporcionar uma remoção de calor necessária. O meio de arrefecimento pode ser usado efetivamente sozinho ou em combinação com outros tipos de resfriamento, por exemplo, um resfriador de areia.

Portanto, o meio de arrefecimento pode agir como um tipo primário ou secundário de remoção de calor, permitindo um controle maior das temperaturas de processo, e particularmente no reaquecedor onde o carvão, como um subproduto sólido da pirólise, é queimado. Associada à remoção de calor, agrega-se flexibilidade operacional em termos do tipo da matéria-prima de biomassa e da capacidade de processamento, que são geralmente limitados por uma temperatura operacional máxima ao invés do tamanho do equipamento. Em particular à operação de pirólise, um meio de arrefecimento é distribuído a um ou mais locais dentro do recipiente do reaquecedor, resfriando, assim, este recipiente se um resfriador de areia não for usado (por exemplo, tendo em vista as considerações de custos) ou, de outro modo, remove o calor em excesso a uma extensão insuficiente. Geralmente, o recipiente do reaquecedor é operado com um leito fluidizado de partículas do transportador de calor sólido, através do qual se passa um meio de combustão contendo oxigênio, com o intuito de queimar o carvão e gerar algum ou todo o calor necessário para a pirólise. 0 leito fluidizado compreende um leito de fase densa abaixo de uma fase diluída das partículas do transportador de calor sólido.

Um meio de arrefecimento pode ser aspergido, por exemplo, no topo de um transportador de valor, tal como areia, que reside no reaquecedor como um leito fluidizado de partículas. Desse modo, remove-se o calor, por exemplo, pela conversão de água, como um meio de arrefecimento, em vapor. O consumo de calor reduz vantajosamente a temperatura geral do reaquecedor e/ou permite que a unidade de pirólise opere em uma capacidade alvo. Os distribuidores podem estar localizados em várias partes para introduzir o meio de arrefecimento em múltiplos pontos, por exemplo, dentro do leito de fase densa e/ou na fase diluída, acima da fase densa. A introdução de fase diluída do meio de arrefecimento ajuda a evitar interrupções do leito de fase densa devido à expansão repentina de volume (por exemplo, de água mediante a conversão em vapor) na presença de uma densidade relativamente alta de partículas sólidas. Essas interrupções podem levar, de modo prejudicial, a um arrasto de partículas sólidas e a perdas. A introdução de fase densa (por exemplo, diretamente em uma seção intermediária do leito de fase densa) , por outro lado, proporciona um resfriamento direto das partículas sólidas. Esse resfriamento é efetivo se a introdução for realizada com um controle suficiente, e em uma taxa de vazão de meio de arrefecimento, que evite interrupções significativas do leito de fase densa. Em alguns casos, o meio de arrefecimento pode ser introduzido em e acima do leito de fase densa, e até mesmo em múltiplos locais dentro e acima do leito.

Portanto, as modalidades da invenção são voltadas a métodos de pirólise que compreendem combinar biomassa e um transportador de calor sólido (por exemplo, particulado sólido que tenha sido aquecido em um reaquecedor e reciclado) para proporcionar uma mistura de reação de pirólise, por exemplo, em uma unidade de pirólise de Processamento Térmico Rápido (RTP). A mistura de reação pode, por exemplo, ser formada mediante a mistura da biomassa e do transportador de calor sólido no fundo, ou abaixo, de um reator de pirólise de fluxo ascendente. A mistura é, então, submetida a condições de pirólise, incluindo um aumento rápido na temperatura da biomassa até uma temperatura de pirólise e um tempo de permanência relativamente curto nesta temperatura, para proporcionar um efluente de pirólise. As condições apropriadas são normalmente alcançadas utilizando-se um gás de transporte desprovido de oxigênio (ou isento de oxigênio) que eleve a mistura de reação de pirólise através de um reator de pirólise de fluxo ascendente. Após a pirólise, o efluente de pirólise é separado (por exemplo, utilizando-se um separador ciclônico) em (1) uma fração enriquecida com sólidos que compreende tanto um carvão sólido como uma porção reciclada do transportador de calor sólido e (2) uma fração desprovida de sólidos que compreende produtos de pirólise. Os produtos de pirólise incluem, após o resfriamento, (1) produtos de pirólise líquida que são condensados, tal como óleo bruto de pirólise e produtos químicos valiosos, bem como (2) gases não-condensáveis, como H2, CO, CO2, metano, e etano. A fração enriquecida com sólidos é, então, colocada em contato com um meio de combustão contendo oxigênio (por exemplo, ar ou ar enriquecido com nitrogênio) para queimar pelo menos uma parte do carvão sólido e reaquecer a parte reciclada do transportador de calor, que transfere, sucessivamente, calor à mistura de reação de pirólise. Conforme discutido anteriormente, a fração enriquecida com sólidos também é colocada, por exemplo, em contato, em um reaquecedor contendo um leito fluidizado do transportador de calor, com um meio de arrefecimento para reduzir ou limitar a temperatura no reaquecedor ou, de outro modo , a temperatura da parte reciclada do transportador de calor sólido.

Outras modalidades da invenção são voltadas a aparelhos para pirólise de uma matéria-prima de biomassa. Os aparelhos representativos compreendem um reator de pirólise de fluxo ascendente de leito arrastado que pode incluir, por exemplo, uma zona de reação tubular. Os aparelhos também compreendem um separador ciclônico tendo (1) uma entrada em comunicação com uma seção superior (por exemplo, uma saída de efluente de pirólise) do reator, (2) uma saída de fração enriquecida com sólidos em comunicação com um reaquecedor, e (3) uma saída de fração desprovida de sólidos em comunicação com uma seção de condensação de produto de pirólise. Os aparelhos compreendem, ainda, um sistema de distribuição de líquido de arrefecimento em comunicação com o reaquecedor, para a introdução de um meio de arrefecimento e, consequentemente, para a remoção de calor dentro deste recipiente.

Ainda outras modalidades da invenção são voltadas a um reaquecedor que serve para queimar carvão sólido que é separado de um efluente de pirólise. A combustão ocorre na presença de um transportador de calor sólido que é reciclado ao reator de pirólise. O reaquecedor compreende um ou mais pontos de introdução de meio de arrefecimento. No caso de múltiplos pontos de introdução, estes serão genericamente posicionados em diferentes comprimentos axiais diferentes ao longo do reaquecedor. Os pontos de introdução também podem incluir distribuidores do meio de arrefecimento, bem como sistemas de controle para regular o fluxo do meio de arrefecimento, por exemplo, em resposta a uma temperatura medida seja no leito de fase densa ou na fase diluída do transportador de calor sólido.

Estas e outras modalidades e aspectos referentes à presente invenção ficam aparentes a partir da Descrição

Detalhada a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 descreve um processo de pirólise representativo que inclui um reator e um reaquecedor.

A Figura 2 é uma vista em aproximação de um meio de arrefecimento entrando em um reaquecedor tanto em um leito de fase densa do transportador de calor sólido, como em uma fase diluída acima do leito de fase densa.

Os recursos referidos nas Figuras 1 e 2 não estão necessariamente desenhados em escala e deve-se compreender que apresentam uma ilustração da invenção e/ou dos princípios envolvidos. Alguns recursos descritos foram ampliados ou destorcidos em relação a outros, a fim de facilitar a explicação e a compreensão. Os métodos e aparelhos de pirólise, conforme descrito no presente documento, terão configurações, componentes, e parâmetros operacionais determinados, em parte, pela aplicação pretendida e também pelo ambiente no qual estes serão usados.

DESCRIÇÃO DETALHADA

De acordo com modalidades representativas da invenção, a biomassa submetida à pirólise em um ambiente desprovido de oxigênio, por exemplo, utilizando-se um Processamento Térmico Rápido (RTP), pode ser qualquer material vegetal, ou misturas de materiais vegetais, incluindo uma madeira de lei (por exemplo, madeira branca), uma madeira mole, ou uma casca de madeira de lei ou de madeira macia. Os cultivos energéticos, ou, de outro modo, resíduos agrícolas (por exemplo, resíduos de extração de madeira) ou outros tipos de refugos vegetais ou refugos derivados de vegetais, também podem ser usados como materiais vegetais. Materiais vegetais exemplificadores específicos incluem fibra de milho, palha de milho, e bagaço de cana de açúcar, além de cultivos energéticos 'intencionais, tais como switchgrass (Panicum virgatum), miscanto, e algas. Os produtos de plantações de curta rotação, tais como cultivos energéticos, incluem carvalho, freixo, Nothofagus (southern beech), bétula, eucalipto, álamo, salgueiro, Broussonetia papyrifera (paper mulberry), acácia australiana, plátano, e variedades de Paulownia elongata. Outros exemplos de biomassa adequada incluem materiais de refugo orgânico, tais como papéis usados e construção, demolição, e refugos municipais.

Um método de pirólise representativo é ilustrado na Figura 1. De acordo com esta modalidade, a biomassa 10 é combinada com um transportador de calor sólido 12, que foi aquecido em um reaquecedor 100 e reciclado. A biomassa 10 é genericamente submetida a uma ou mais etapas de prétratamento (não mostradas), incluindo ajuste do tamanho de partícula e secagem, antes de ser combinada com o transportador de calor sólido 12. Os tamanhos médios de partícula representativos para a biomassa 10 são tipicamente de 1 mm a 10 mm. Mediante a combinação com o transportador de calor sólido 12, a biomassa 10 se torna rapidamente aquecida, por exemplo, em uma zona de mistura 14 localizada em ou próxima a uma seção inferior (por exemplo, o fundo) do reator de pirólise 200 que contém uma zona de reação alongada (por exemplo, tubular) 16. A quantidade relativa de transportador de calor sólido 12 pode ser ajustada conforme a necessidade para alcançar uma taxa desejada de aumento de temperatura da biomassa 10. Por exemplo, razões de peso entre o transportador sólido 12 e a biomassa 10 de 10:1 a 500:1 são normalmente usadas para alcançar um aumento de temperatura de 1000°C/seg (1800°F/seg) ou mais.

Portanto, a combinação da biomassa 10 com o transportador de calor sólido 12 forma uma mistura de reação de pirólise quente, tendo uma temperatura genericamente de 300°C (572°F) a 1.100°C (2.012°F), e geralmente de 400°C (752°F) a 700°C (1.292°F). A temperatura da mistura de reação de pirólise é mantida acima de sua duração relativamente curta na zona de reação 16, antes de o efluente de pirólise 24 ser separado. Um reator de pirólise típico opera com o fluxo da mistura de reação de pirólise na direção ascendente (por exemplo, em um reator de pirólise de leito arrastado em fluxo ascendente) , através da zona de reação 16, de modo que as condições de pirólise sejam mantidas nesta zona para a conversão de biomassa 10. O fluxo ascendente é alcançado utilizando-se um gás de transporte 13 contendo pouco ou nenhum oxigênio, por exemplo, contendo parte ou todos os gases não-condensáveis 18 obtidos após condensar o(s) produto de pirólise líquida 20 a partir de uma fração desprovida de sólidos 22, que compreende uma mistura de produtos de pirólise gasosa e líquida. Estes gases nãocondensáveis 18 normalmente contêm H₂, CO, CO₂, metano, e/ou etano. Algum oxigênio pode entrar na mistura de reação de pirólise, no entanto, a partir do reaquecedor 100, onde o carvão é queimado na presença de um meio de combustão contendo oxigênio 28, conforme discutido em maiores detalhes abaixo.

O gás de transporte 13 é, portanto, carregado ao reator de pirólise 200 em uma taxa de vazão suficiente para atingir uma velocidade superficial do gás através da zona de mistura 14 e da zona de reação 16 que entra a maioria, e, geralmente, substancialmente todos, componentes sólidos da mistura de reação de pirólise. As velocidades superficiais do gás representativas são maiores que 1 metro por segundo, e, geralmente, maiores que 2 metros por segundo. O gás de transporte 13 é mostrado na Figura 1 entrando em uma seção inferior da zona de mistura 14 do reator 200. A velocidade superficial deste gás na zona de reação 16 também é suficiente para obter um tempo de permanência curto da mistura de reação de pirólise nesta zona, tipicamente, menos de 2 segundos. Conforme discutido anteriormente, um aquecimento rápido e uma duração curta na temperatura de reação evitam a formação dos produtos de equilíbrio menos desejáveis a dos produtos de não-equilíbrio menos desejáveis. Os transportadores de calor sólidos, adequados para transferir quantidades substanciais de calor para um aquecimento rápido da biomassa 10 incluem materiais de particulado inorgânico tendo um tamanho médio de partícula tipicamente de 25 mícrons a 1 mm. Portanto, os transportadores de calor sólidos representativos são óxidos metálicos refratários inorgânicos, tais como alumina, sílica, e misturas destes. A areia é um transportador de calor sólido preferencial.

A mistura de reação de pirólise é submetida a condições de pirólise, incluindo uma temperatura, e um tempo de permanência no qual a temperatura é mantida, conforme discutido anteriormente. O efluente de pirólise 24 que compreende o carvão de subproduto de pirólise sólida, e o transportador de calor sólido, e os produtos de pirólise, é removido de uma seção superior do reator de pirólise 200, tal como o topo da zona de reação 16 (por exemplo, uma zona de reação tubular) deste reator 200. Os produtos de pirólise, que compreendem tanto componentes nao-condensáveis como condensáveis do efluente de pirólise 24, podem ser recuperados após a separação dos sólidos, incluindo carvão e o transportador de calor. O resfriamento, para promover a condensação, e possivelmente etapas de separação adicionais são usados para proporcionar um ou mais produtos de pirólise líquida. Um produto de pirólise líquida particular de interesse é o óleo bruto de pirólise, que contém genericamente 30 a 35%, em peso, de oxigênio sob a forma de oxigenatos orgânicos, como hidróxi aldeídos, hidróxi cetonas, açúcares, ácidos caboxílicos, e polímeros fenólicos, bem como água dissolvida. Por esta razão, embora seja um combustível liquido despejável e transportável, o óleo bruto de pirólise tem somente 55-60% do teor energético dos óleos combustíveis à base de petróleo. Valores representativos do teor energético estão na faixa de 19,0 MJ/litro (69.800 BTU/gal) a 25,0 MJ/litro (91.800 BTU/gal). Ademais, este produto bruto é geralmente corrosivo e exibe instabilidade química devido à presença de compostos altamente insaturados, tais como olefinas (incluindo diolefinas) e alquenil aromáticos.

Portanto, o hidroprocessamento deste óleo de pirólise é benéfico em termos de reduzir seu teor de oxigênio e aumentar sua estabilidade, tornando, assim, o produto hidroprocessado mais adequado para blenda em combustíveis, tal como gasolina, satisfazendo todas as especificações aplicáveis. O hidroprocessamento envolve colocar o óleo de pirólise em contato com hidrogênio e na presença de um catalisador adequado, genericamente sob condições suficientes para converter uma grande proporção do oxigênio orgânico no óleo bruto de pirólise em CO, CO₂ e água que são facilmente removidos. O termo óleo de pirólise, visto que se aplica a uma matéria-prima à etapa de hidroprocessamento, se refere ao óleo bruto de pirólise obtido diretamente a partir da pirólise (por exemplo, RTP) ou, de outro modo, se refere a este novo óleo de pirólise sendo submetido a um pré-tratamento, tal como filtração para remover sólidos e/ou troca de íons para remover metais solúveis, antes da etapa de hidroprocessamento.

Conforme ilustrado na modalidade da Figura 1, o efluente de pirólise 24, que sai pela seção superior do reator de pirólise 200, é separado utilizando-se um ciclone 300 em frações enriquecidas com sólidos e frações desprovidas de sólidos 26, 22. Estas frações são enriquecidas e desprovidas, respectivamente, em seu teor de sólidos, por exemplo, medido em percentual em peso, em relação ao efluente de pirólise 24. A fração enriquecida com sólidos 26 compreende uma proporção substancial (por exemplo, maior que 90%, em peso) do carvão sólido e transportador de calor sólido contidos no efluente de pirólise 24. Além do carvão, a fração enriquecida com sólidos também contém genericamente outros subprodutos de pirólise de valor inferior, tal como coque e alcatrão pesado. De acordo com modalidades alternativas, múltiplos estágios de separação de sólidos (por exemplo, que utiliza dois ou mais ciclones) podem ser usados para aperfeiçoar a eficiência de separação, gerando, assim, múltiplas frações enriguecidas com sólidos, sendo que parte ou todas essas entram no reaquecedor 100. Em qualquer caso, a porção de transportador de calor sólido contida no efluente de pirólise e que entra no reaquecedor 100, seja em uma ou mais frações enriquecidas com sólidos, consiste em uma porção reciclada. Esta porção reciclada, além do carvão sólido que sai do ciclone 300 e possivelmente outros separadores de sólidos, entra no reaquecedor 100 usado para queimar o carvão e reaquecer o transportador de calor sólido para um uso adicional em transferir calor à biomassa 10.

A fração desprovida de sólidos 22 pode ser resfriada, por exemplo, utilizando-se um resfriador 400 para condensar os produtos de pirólise líquida como um óleo bruto de pirólise e, opcionalmente, após as etapas adicionais de separação/purificação, produtos químicos valiosos incluindo ácidos carbóxilicos, fenólicos, e cetonas. Conforme ilustrado na Figura 1, o produto de pirólise resfriado 42 é passado ao separador 500 que pode ser um separador instantâneo de estágio único para separar gases não-condensáveis 18 dos produtos de pirólise líquida 20. De outro modo, múltiplos estágios de equilíbrio entre vapor e líquido em contato podem ser obtidos utilizando-se dispositivos de contato adequados, tais como bandejas de contato ou materiais de embalagem sólidos.

Em geral, deseja-se que o resfriamento rápido da fração desprovida de sólidos 22 limite a extensão das reações de pirólise que ocorrem além do tempo de permanência relativamente curto na zona de reação 16. O resfriamento pode ser obtido utilizando-se troca de calor direta ou indireta, ou ambos os tipos de troca de calor em combinação. Um exemplo de tipos de troca de calor envolve o uso de uma torre de arrefecimento na qual um produto de pirólise líquida condensado é resfriado indiretamente, reciclado no topo da torre, e colocado em contato em contracorrente com o vapor quente em elevação da fração desprovida de sólidos 22. Conforme discutido anteriormente, a fração desprovida de sólidos 22 compreende produtos de pirólise gasosa e líquida, incluindo óleo bruto de pirólise que é recuperado em um processamento a jusante. De modo correspondente, o ciclone 300 tem (i) uma entrada em comunicação com uma seção superior do reator de pirólise 200, além de (ii) uma saída de fração enriquecida com sólidos em comunicação com o reaquecedor 100 e (iii) uma saída de fração desprovida de sólidos em comunicação com uma seção de condensação de produto de pirólise. Isto é, a entrada de ciclone pode corresponder ao conduto para o efluente de pirólise 24, a saída de fração enriquecida com sólidos pode corresponder ao conduto para fração enriquecida com sólidos 26, e a saída de fração desprovida de sólidos pode corresponder ao conduto para a fração desprovida de sólidos 22. Uma seção de condensação de produto de pirólise representativa pode corresponder ao resfriador 400 e ao separador 500.

Conforme ilustrado na modalidade representativa da Figura 1, a fração enriquecida com sólidos 2 6 que sai do ciclone 300 (possivelmente em combinação com uma ou mais frações enriquecida com sólidos adicionais) é colocada em contato com um meio de combustão contendo oxigênio 28 no reaquecedor 100 para queimar pelo menos uma porção do carvão sólido que entra neste recipiente com a fração enriquecida com sólidos 26. Um meio de combustão contendo oxigênio representativo é o ar. Pode-se usar ar enriquecido com nitrogênio para limitar a elevação de temperatura adiabática da combustão, caso seja desejado. O calor de combustão reaquece efetivamente a porção reciclada do transportador sólido. Sucessivamente, o transportador sólido aquecido é usado para a transferência contínua de calor à mistura de reação de pirólise, a fim de conduzir a reação de pirólise. Conforme discutido anteriormente, o reaquecedor 100 opera genericamente como um leito fluidizado de partículas sólidas, com o meio de combustão contendo oxigênio servindo como um meio de fluidização, de maneira similar em operação a um regenerador de catalisador de um processo de craqueamento catalítico de fluidos (FCC), usado no refinamento de petróleo bruto. A combustão gera gás de combustão 32 que sai do reaquecedor 100, e, de acordo com algumas modalidades, o gás de combustão 32 pode ser passado para um separador de sólidos, tal como o ciclone 300 para remover sólidos arrastados. O leito fluidizado compreende um leito de fase densa 30 (por exemplo, um leito fluidizado sem bolhas, borbulhante, evaporante, turbulento, ou rápido) do transportador de calor sólido em uma seção inferior do reaquecedor 100, abaixo de uma fase diluída 40 dessas partículas, em uma seção superior do reaquecedor 100. Um ou mais ciclones também podem ser internos ao reaquecedor 100, para realizar a separação desejada de partículas sólidas arrastadas e retornar ao leito de fase densa 30.

Os aspectos da invenção se referem ao uso de um meio de arrefecimento para aperfeiçoar o gerencialmente geral de calor em sistemas de pirólise. Por exemplo, a remoção de calor a partir do transportador sólido, e a transferência de calor ao meio de arrefecimento, podem ser obtidas por uma troca direta de calor entre o meio de arrefecimento e o transportador sólido. De modo vantajoso, a temperatura da porção reciclada do transportador de calor sólido, que é passado ao reaquecedor 100 conforme descrito anteriormente, é limitada (por exemplo, a uma temperatura projetada máxima) por contato direto entre este transportador de calor sólido e o meio de arrefecimento 44 no reaquecedor 100. Em alguns casos, esta limitação da temperatura de combustão pode permitir um aumento na capacidade operacional do sistema de pirólise geral. Um meio de arrefecimento preferencial é a água ou uma solução aquosa tendo um pH que pode ser adequado ao material de construção do reaquecedor ou, de outro modo, pode ter a capacidade de neutralizar gases de combustão em elevação. Em alguns casos, por exemplo, o uso de uma solução caustica diluída, tendo um pH na faixa de 8 a 12, pode neutralizar efetivamente os componentes acídicos presentes nos gases de combustão. De preferência, o meio de arrefecimento 44 é introduzido ao reaquecedor 100 através do distribuidor 46.

A Figura 2 ilustra, em maiores detalhes, uma modalidade particular de colocar o meio de arrefecimento em contato com a fração enriquecida com sólidos recuperada a partir do efluente de pirólise. De acordo com esta modalidade, um sistema de distribuição e controle de líquido de arrefecimento se encontra em comunicação com o reaquecedor. Em particular, a Figura 2 mostra as porções de um meio de arrefecimento 44a, 44b sendo introduzidas no reaquecedor 100 em dois pontos separados (aos quais os condutos para as porções de meio de arrefecimento 44a, 44b levam) ao longo de seu comprimento axial. Em geral, portanto, o meio de arrefecimento pode ser introduzido em uma ou mais posições ao longo do comprimento axial do reaquecedor e/ou em uma ou mais posições radiais em um dado comprimento axial. Da mesma forma, o meio de arrefecimento pode ser introduzido através de um ou mais distribuidores em uma ou mais posições de introdução. De acordo com a modalidade descrita na Figura 2, uma porção do meio de arrefecimento 44b é introduzida no reaquecedor 100 acima do leito de fase densa 30 do particulado sólido que compreende uma porção reciclada do transportador de calor sólido, conforme descrito anteriormente. Esta porção do meio de arrefecimento é direcionada descendentemente à superfície do leito de fase densa 30, porém, uma interrupção do leito é relativamente menor, visto que a vaporização do meio de arrefecimento ocorre primariamente na fase diluída 40. Na Figura 2, apresenta-se, também, outra porção do meio de arrefecimento 44a, introduzida dentro do leito de fase densa 30 do transportador de calor sólido, através do distribuidor 46. A interrupção do leito de fase densa 30 é aumentada, porém, uma transferência de calor direta também é aumentada, em relação ao caso de introdução da porção do meio de arrefecimento 44b na fase diluída 40. A introdução do meio de arrefecimento tanto no leito de fase densa 30 como na fase diluída 40, por exemplo, em taxas diferentes e/ou em momentos diferentes, portanto, permite tipos alternativos de controle (por exemplo, controle grosso e controle fino, respectivamente) de remoção de calor. De acordo com modalidades adicionais, os métodos descritos no presente documento podem compreender, ainda, fluir pelo menos uma porção do transportador de calor sólido através de um trocador de calor (não mostrado),tal como um resfriador de areia, adicionando, assim, outro tipo de controle de remoção.

De acordo com o sistema de distribuição e controle de líquido de arrefecimento descrito na modalidade particular da Figura 2, os fluxos de porções do meio de arrefecimento 44a, 44b, introduzidas dentro e acima do leito de fase densa 30, são controlados em resposta a temperaturas medidas dentro e acima do leito de fase densa 30, respectivamente. Portanto, os elementos de temperatura TE no leito de fase densa 30 e na fase diluída 40, se comunicam através de transmissores de temperatura TT e controladores indicadores de temperatura TIC às válvulas de controle de temperatura TV. Essas válvulas, em resposta às temperaturas medidas, ajustam suas aberturas percentuais variáveis, conforme necessário para proporcionar fluxos suficientes de porções do meio de arrefecimento 44a, 44b, a fim de controlar as temperaturas medidas nos elementos de temperatura E. Portanto, em resposta a uma temperatura medida no reaquecedor 100 que está além de uma temperatura de ponto de ajuste, por exemplo, devido a um aumento na taxa de vazão, ou uma alteração no tipo, de biomassa 10, a(s) TIC(s) apropriada (s) envia(m) sinal(is) à(s) válvula (s) de controle de temperatura correspondente(s), que responde(m) aumentando-se a taxa de vazão do meio de arrefecimento ao reaquecedor 100, opcionalmente através de um ou mais distribuidores 46. De modo correspondente, os sistemas de distribuição e controle de líquido de arrefecimento descritos no presente documento podem proporcionar de modo efetivo a maior flexibilidade operacional necessária em operações de pirólise, em que se deseja uma capacidade aumentada e/ou um processamento de tipos de biomassa variável. Portanto, os sistemas de distribuição e controle de líquido de arrefecimento particulares são representados pela combinação de TE, TT, TIC, e TV, controlando a introdução do meio de arrefecimento em um dado ponto.

Em geral, os aspectos da invenção são voltados a métodos de pirólise com um controle de calor aperfeiçoado, e, especialmente reaquecedores para queimar carvão sólido, separados de um efluente de pirólise, na presença de um transportador de calor sólido que é reciclado ao reator de pirólise para transferir calor e conduzir a pirólise. De modo vantajoso, o reaquecedor compreende um ou mais pontos de introdução de meio de arrefecimento ao longo de seu comprimento axial, opcionalmente junto aos sistemas de distribuição e controle de meio de arrefecimento, conforme descrito anteriormente. Os indivíduos versados na técnica, com o conhecimento adquirido a partir da presente revelação, reconhecerão que várias alterações poderíam ser feitas nesses métodos e pirólise sem divergir do escopo da presente invenção. Os mecanismos usados para explicar os 5 fenômenos ou resultados teóricos ou observados, devem ser interpretados somente como ilustrativos e não limitantes de forma alguma ao escopo das reivindicações em anexo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de pirólise, caracterizado pelo fato de que compreende:

(a) combinar uma biomassa e um transportador de calor sólido para proporcionar uma mistura de reação de pirólise;

(b) submeter a mistura de reação de pirólise a condições de pirólise para proporcionar um efluente de pirólise; (c) separar, a partir do efluente de pirólise, (1) uma

fração enriquecida com sólidos que compreende carvão sólido e uma porção reciclada do transportador de calor sólido e (2) uma fração desprovida de sólidos que compreende produtos de pirólise gasosa e líquida;

(d) colocar em um reaquecedor a fração enriquecida com sólidos em contato direto com (1) um meio de combustão contendo oxigênio para queimar pelo menos uma porção do carvão sólido e reaquecer a porção reciclada do transportador de calor sólido e (2) um meio de arrefecimento para limitar a temperatura da porção reciclada do transportador de calor sólido, em que pelo menos uma porção do meio de arrefecimento é introduzida no reaquecedor em um estado líquido dentro de um leito de fase densa do transportador de calor.

2/2 caracterizado pelo fato de que o meio de arrefecimento é introduzido ao reaquecedor através de um ou mais distribuidores em uma ou mais posições em que o meio de arrefecimento é introduzido.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de arrefecimento é introduzido ao reaquecedor em uma ou mais posições ao longo de seu comprimento axial.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1,

Petição 870190028165, de 25/03/2019, pág. 7/23

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma porção do meio de arrefecimento é uma porção do meio de arrefecimento, e uma porção adicional do meio de arrefecimento é introduzida ao reaquecedor acima do leito de fase densa do transportador de calor.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o fluxo da porção adicional do meio de arrefecimento introduzido ao reaquecedor acima do leito de fase densa é controlado em resposta a uma temperatura medida acima do leito de fase densa.

6. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a porção adicional do meio de arrefecimento é direcionada descendentemente à superfície do leito de fase densa . 7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de arrefecimento compreende água. 8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo da pelo menos uma

porção do meio de arrefecimento introduzido no reaquecedor em um estado líquido dentro do leito de fase densa é controlado em resposta a uma temperatura medida dentro do leito de fase densa.