BR112013027815B1 - método para redução volumétrica de líquidos orgânicos - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA REDUÇÃO VOLUMÉTRICA DE LÍQUIDOS ORGÂNICOS Métodos são providos para a redução volumétrica de líquidos orgânicos. Os métodos incluem a mistura de um material de matriz porosa com um líquido orgânico para produzir uma mistura, forçando agente oxidante através da mistura, e iniciando uma combustão latente autossustentável da mistura. Realizações adicionais agregam o líquido orgânico ou o material de matriz porosa ou a mistura destes em um represamento, tal como um vaso reator, uma lagoa ou uma pilha de matriz. Realizações adicionais utilizam ao menos um aquecedor para iniciar a combustão e pelo menos uma porta de alimentação de ar para fornecer agente oxidante para iniciar e manter a combustão. Outras realizações adicionais incluem ainda a adição em batelada de um aditivo combustível ao agregado antes da combustão latente, para assegurar que a combustão latente subsequente seja autossustentável ou que tenha a temperatura necessária para reduzir ou remover outros contaminantes na matriz ou no líquido orgânico, tais como metais pesados ou asbestos.

Description

REFERÊNCIA-CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório de patente nos Estados 5 Unidos No. Ser. 61/531,895, depositado em 7 de setembro de 2011. e do pedido provisório de patente nos Estados Unidos No. Ser. 617480.852, depositado em 29 de abriI de 2011, dos quais O inteiro conteúdo está aqui incorporado por referência.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a métodos para reduzir o volume de líquidos 10 orgânicos através de combustão latente, e mais particularmente a métodos em que um líquido orgânico é agregado em uma matriz porosa no interior de um represamento.

ANTECEDENTES DA TÉCN1CA

O gerenciamento de líquidos orgânicos quando eles se tomam resíduos é um problema complexo com poucas alternativas economicamente efetivas para reduzir o seu 15 impacto na saúde, no ambiente e na estética. Métodos atuais de gerenciamento focam no descarte de líquidos orgânicos em aterros, destruição em incineradores, e reciclagem. Avanços recentes em Gerenciamento Integrado de Resíduos ("Integrated Waste Management" - IWM) minimizaram o impacto desses materiais através de análises de ciclo de vida e da implementação de estratégias sustentáveis de gerenciamento de 20 resíduos; contudo, permanece um legado de problemas em gerenciamento de resíduos de líquido orgânico, para os quais a incineração e a disposição em aterros são atualmente as únicas alternativas práticas.

Avanços recentes no campo de hidrogeologia de contaminação mostraram que a combustão latente pode ser usada para tratar volumes subterrâneos de solo contaminado 25 com líquidos orgânicos. Esta abordagem está comercialmente disponível como a tecnologia de Remedíação Ativa através de Tratamento Autossustentável ("Self-sustaining Treatment for Active Remediation” - STAR) e c matéria de Patente nos Estados Unidos no. 8.132,978.

A combustão latente (“combustão latente”) é uma forma de combustão sem 30 chamas, provindo o seu calor de reações que ocorrem na superfície de um combustível sólido ou líquido quando ele é aquecido em um ambiente oxidante. Um exemplo de uma reação de combustão latente é a de um cigarro de tabaco ou a queima de um pedaço de espuma de poliuretano. A combustão latente ocorre apenas quando a taxa de aquecimento do combustível é mais baixa que a taxa em que o oxidante se difunde no combustível; assim, a combustão latente requer que a taxa de difusão do oxidante para a superfície do combustível seja mais rápida do que a taxa de adição de calor necessária para gaseificar o material. Como processos de difusão são relativamente lentos, a combustão latente ocorre apenas sob condições em que o combustível tenha uma área superficial exposta ao oxidante muito grande (taxa de arraste de oxidante = lluxo difusivo de oxidante X área superficial de combustível). Esta condição é mais comumente alcançada no interior de um material poroso, em que o material possua uma relação área superficial por volume muito alta. No caso de um cigarro e outros materiais sólidos orgânicos (por exemplo, lixo, resíduo de carvão, espuma de poliuretano, etc.), o tabaco tanto é o combustível como a matriz porosa: ao passo que no processo STAR, o combustível é o contaminanie orgânico e a matriz porosa é o volume subterrâneo de solo.

A combustão latente é distinta da combustão com chamas. A combustão com chamas é um processo de combustão através do qual um combustível condensado (seja liquido ou sólido) é gaseificado por meio de uma fonte externa de calor, produzindo uma mistura de combustível e oxidante na fase gasosa que na presença de aquecimento adicional pode levar a uma chama. Uma chama possui uma pequena relação área superficial por volume; assim, a taxa de aquecimento excede em muito a taxa de difusão de oxidante. Além disso, a chama representa uma reação entre o óleo gaseificado e o oxigênio na fase gasosa. Assim, a combustão com chamas ocorre na fase gasosa entre um combustível gasoso e um agente oxidante gasoso, o que é uma reação de combustão homogênea. A combustão latente, por outro lado, ocorre na superfície do combustível líquido/sólido, enquanto o agente oxidante na fase gasosa se difunde no combustível líquido ou sólido; assim este processo é uma reação heterogênea.

A combustão latente requer um fornecimento de energia de curta duração, e a adição de um agente oxidante (por exemplo, oxigênio, ar, perclorato) para iniciar e sustentar a reação de combustão latente. A combustão latente é uma reação exótérmica (que produz energia líquida) convertendo compostos de carbono e um agente oxidante em dióxido de carbono, água e energia. Assim, após a ignição através de uma baixa alimentação de energia localizada e de curta duração, a reação de combustão latente 5 pode continuar de maneira autossustentável; por exemplo, a energia térmica requerida para a combustão de contam inantes no STAR provém primariamente da energia inerente no interior dos próprios contaminantes.

Há numerosas metodologias para a remediação de solos contaminados, incluindo um grupo de tecnologias que usa processos térmicos para remover ou destruir io contaminantes através de processos endotérmicos (que consomem energia líquida) tais como pirólise e volatilização. A vantagem do STAR .sobre esses outros remédios térmicos é que o STAR se aproveita da energia inerente nos contaminantes para facilitar a destruição deles; ao passo que outros remédios térmicos requerem uma alimentação de grandes quantidades de calor/energia aplicadas aos solos contaminados, frequentemente 15 tornando o custo destas tecnologias proibitivo.

Técnicas atuais parã o tratamento de resíduos orgânicos sofrem de um problema similar - incineração, por exemplo, é uma tecnologia intensiva em energia para a redução volumétrica/destruição de líquidos orgânicos, requerendo fornecimento contínuo de energia. Como resultado, a incineração é frequentemente uma tecnologia de 20 tratamento custosa.

A combustão latente tem sido observada tradicionalmente em combustíveis sólidos, e sabe-se que ocorre espontâneamente em pilhas de carvão, ou em pilhas de resíduos orgânicos sólidos. Quanto ao cigarro, por exemplo, a combustão latente desses materiais requer a presença de uma fonte de combustível e uma matriz porosa e, na 25 maioria dos casos, á fonte de combustível c a matriz porosa são uma mesma coisa (por exemplo, tabaco). Assim, devido a uma falta de matriz porosa, a combustão latente de um combustível líquido há muito tempo tem sido descartada por ser considerada impossível. Algumas pesquisas examinaram a combustão de um combustível líquido em uma matriz porosa, incluindo fogos retardados ("lagging fires”) ocorrendo no interior de 30 materiais isolantes porosos embebidos em óleos e outros líquidos autoinflamáveis. assim como a recuperação melhorada de óleo, em que frentes de combustão são iniciadas em reservatórios de petróleo para conduzir o óleo na direção de pontos de extração. Contudo, o uso de combustão latente como um meio de tratar, ou efetuar a redução volumétrica de uma massa de líquido orgânico, nunca foi feito.

RESUMO DAS REALIZAÇÕES

Conforme descrito abaixo, a combustão latente é possível apenas na presença de uma fonte de combustível e de uma matriz porosa. Para um resíduo orgânico sólido tal como pilhas de carvão ou lixo, o resíduo orgânico atua tanto como fonte de combustível como matriz porosa. Mo caso de um líquido orgânico, uma matriz porosa deve ser acrescentada ao líquido orgânico para criar as condições necessárias para que uma reação de combustão latente ocorra. Isso pode ser obtido adicionando-se ou um material reativo ou um material inerte, como a areia, ao líquido orgânico, ou adicionando-se o líquido orgânico a um leito ou a uma pilha de matriz porosa. Uma vez que essas condições estejam estabelecidas, a combustão latente pode ser iniciada no interior da mistura líquido orgânico/matriz porosa de uma maneira análoga àquela descrita pelo processo STAR: a mistura é aquecida e o agente oxidante é adicionado para iniciar o processo de combustão latente; então a fonte de aquecimento é interrompida, mas a adição de agente oxidante é mantida de forma que ocorra uma reação autossustentável (isto é, a fonte de energia para a combustão latente é o líquido orgânico, ao invés de urna fonte externa), resultando em uma redução volumétrica do líquido orgânico.

Realizações da presente invenção se aproveitam da descoberta surpreendente de que a combustão latente pode ser usada para reduzir o volume de qualquer líquido orgânico ao se agregar primeiramente o líquido orgânico em matrizes porosas. Líquidos orgânicos ou combustíveis líquidos não são conhecidos por entrar em combustão latente na ausência da fase de agregação porque eles não possuem a área superficial necessária, comum aos combustíveis sólidos porosos.

A presente invenção se baseia nos princípios da combustão latente autossustentável para o tratamento de líquidos orgânicos. A combustão latente provê benefícios em relação às técnicas de tratamento tradicionais, como um método de tratamento de líquido orgânico, tais como baixa necessidade de energia, baixo custo, tratamento mais rápido, c tratamento efetivo. Além disso, a presente invenção é superior ao aterramcnto visto que o processo de combustão latente transformará líquidos orgânicos primariamente em gases de combustão, de forma a prescindir da necessidade de adquirir e manter terra cara para o armazenamento de líquidos orgânicos, Especificamente. a combustão latente pode ser aplicada para reduzir o volume de líquidos orgânicos para destruir o líquido orgânico, agregando ou misturando o líquido orgânico em uma matriz porosa (isto é. a ’-mistura"). O líquido orgânico é misturado com a matriz porosa para produzir a mistura através da qual um agente oxidante é forçado e a combustão latente é iniciada com uma fonte de calor. A fonte de calor é então removida ou interrompida enquanto a alimentação de agente oxidante é mantida de forma a sustentar a progressão da reação de combustão latente através da mistura.

A energia inerente em alguns líquidos orgânicos (por exemplo, alcatrão de carvão, hidrocarbonetos de petróleo, etc.) é frequentemente mais do que suficiente para permitir que uma reação autossustentável ocorra. Parte dessa energia excedente (isto é. calor excedente) pode ser usada para influenciar no tratamento secundário do líquido orgânico ou da matriz porosa no qual o líquido orgânico é parcialmente ou completamente misturado. Por exemplo, melais pesados são contaminantes comuns de solos e frequentemente observa-se que estão presentes em líquidos orgânicos tais como hidrocarbonetos de petróleo. Enquanto metais pesados não são orgânicos e não entrarão em combustão, alguns metais pesados como o mercúrio são voláteis e podem ser removidos de solos ou de líquidos orgânicos para tratamento subsequente através do calor excedente gerado por um processo de combustão latente autossustentável. Similarmente, sabe-se que algumas formas de asbesto se tornam não-tóxicas a temperaturas acima de 700 graus Celsius: assim, o calor excedente de um processo de combustão latente autossustentável pode ser usado para tratar solos e lamas contendo minerais de asbesto. Finalmente, o calor excedente de uma reação de combustão latente autossustentável pode ser usada para secar solos, nos casos em que solos húmidos ou que contêm água são usados como a matriz porosa no processo.

Em contraste, alguns líquidos orgânicos não possuem energia suficiente que permita que uma reação autossustentável ocorra. Como eles são orgânicos, esses compostos entrarão em combustão, mas sem energia inerente suficiente, um fornecimento externo de energia é ncessário para manter a reação. Isso pode ser superado pela adição em batelada de um aditivo combustível para aumentar a energia inerente da mistura: possibilitando assim que a combustão latente autossustentável prossiga. Também pode ser útil adicionar um aditivo combustível para influenciar as características da reação de combustão latente (por exemplo, temperatura), mesmo se a reação de combustão é autossustentável sem a adição de aditivo combustível.

Em algumas realizações da invenção, o processo de combustão latente não requer o uso de combustível de cerâmica, pavio ou combustível iniciador para iniciar a combustão latente. Também não há necessidade de criar canais no volume do agregado para manter a combustão latente, como pode ser necessário na combustão latente de um sólido.

Em uma primeira realização da invenção provê-se um método para a redução volumétrica de líquido orgânico. O método consiste em misturar um material de matriz porosa com o líquido para produzir uma mistura, aquecer a mistura, forçar o agente oxidante através da mistura, iniciar c manter a combustão latente da mistura, e interromper a fonte de aquecimento, de forma a realizar a redução volumétrica do líquido orgânico. Em certas realizações, as condições da reação são mantidas de forma a causar a propagação da combustão latente através da mistura e para além do ponto de ignição.

Em realizações particulares, o líquido orgânico é agregado antes da redução volumétrica. Os métodos dessas realizações também consistem em agregar o líquido orgânico em um vaso reacional. Realizações adicionais consistem ainda em agregar o liquido orgânico em uma pilha de matriz que inclui um material de matriz porosa. Outras relizações consistem também em agregar a matriz porosa em uma lagoa de resíduo líquido orgânico. Outras realizações consistem na alimentação contínua da mistura em uma zona

Em certas realizações, misturar o material de matriz porosa consiste na alimentação em batelada do líquido orgânico e ó material poroso em um vaso.

Realizações adicionais consistem em utilizar uma ferramenta misturadora para misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico para produzir a mistura. Em realizações particulares» a ferramenta misturadora inclui uma lâmina helicoidal rotativa.

Em outra realização da invenção, um método para redução volumétrica de líquidos orgânicos é provido no qual misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico para produzir a mistura consiste em formar um leito de conflnamento io permanente Ou semipermanente consistindo no material de matriz porosa, e verter continuamente o líquido orgânico no leito de conflnamento. Em outras realizações da invenção, métodos são providos nos quais misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico para produzir a mistura consiste em formar um leito de conflnamento de líquido orgânico consistindo no líquido orgânico, e verter continuamente o material 15 de matriz porosa no leito de conflnamento de líquido orgânico.

Em realizações particulares, forçar o agente oxidante através da mistura consiste em injetar ar na mistura através de uma porta de injeção. Em certas realizações, forçar o agente oxidante através da mistura consiste em injetar ar na mistura através de uma pluralidade de portas de injeção. Em outras realizações, forçar o agente oxidante 20 através da mistura consiste em injetar oxigênio na mistura através de uma porta de injeção. Em certas realizações, forçar um agente oxidante através da mistura consiste em injetar oxigênio na mistura através de urna pluralidade de portas de injeção. Em outras realizações, forçar um agente oxidante através da mistura consiste em injetar um agente oxidante líquido na mistura através de uma porta de injeção. Em cenas 25 realizações, forçar um agente oxidante através da mistura consiste em injetar um agente oxidante líquido na mistura através de uma pluralidade de portas de injeção. Em certas realizações, forçar um agente oxidante através da mistura consiste em criar um vácuo para sugar agente oxidante através da mistura. Em outras realizações, o agente oxidante é colocado no interior da mistura antes de iniciar a combustão latente.

Em certas realizações, iniciar a combustão latente inclui aplicar calor à mistura a partir de pelo menos uma de uma pluralidade de fontes de calor por uma quantidade de tempo suficiente para iniciar a combustão latente. Em realizações particulares, pelo menos uma da pluralidade de fontes de aquecimento é uma fonte eonvectiva de aquecimento externa à mistura. Em outras realizações particulares ainda, pelo menos uma da pluralidade de fontes de aquecimento é uma fonte eonvectiva de aquecimento localizada no interior da mistura. Em outras realizações ainda, pelo menos uma da pluralidade de fontes de aquecimento é uma fonte condutiva de aquecimento interna em contato direto com a mistura. Em outras realizações, pelo menos uma da pluralidade de fontes de aquecimento aplica calor por radiação à mistura.

Em outras realizações ainda, iniciar a combustão latente inclui aplicar calor à mistura a partir de uma fonte condutiva de calor interna em contato direto com a mistura. Em outras realizações, iniciar a combustão latente inclui aplicar calor à mistura a partir de uma fonte eonvectiva de aquecimento acoplada â mistura. Em realizações particulares, a fonte eonvectiva de aquecimento é externa â mistura. Em outras realizações. a fonte eonvectiva de aquecimento é localizada no interior da mistura. Em outras realizações da invenção, iniciar a combustão latente inclui aplicar calor por radiação à mistura. Em outras realizações da invenção, iniciar a combustão latente inclui aplicar calor à mistura através de uma reação de combustão. Em outras realizações da invenção, iniciar a combustão latente inclui aplicar calor à mistura através de uma reação química exotèrmica.

Em certas realizações, a fonte de aquecimento da mistura é interrompida após a iniciação da combustão latente. Em outras realizações, pelo menos uma da pluralidade de fontes de aquecimento da mistura é interrompida após a iniciação da combustão latente.

Em outra realização da invenção, métodos para a redução volumétrica de líquidos orgânicos consistem ainda em misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico usando uma ferramenta misturadora helicoidal para produzir a mistura, alimentando a mistura através de um primeiro sistema transportador para o interior da zona de combustão latente, e removendo o produto da combustão através de um segundo sistema transportador.

Certas realizações consistem ainda em agregar o líquido orgânico acima do nivel do solo. Outras realizações consistem ainda em agregar o líquido orgânico abaixo do nível do solo.

Em realizações particulares, o material de matriz porosa é selecionado a partir 5 de um grupo consistindo em areia, solos, silte. limo, solo de enchimento, pedras de pavimentação, cascalho, pedras esmagadas, vidro, cerâmica, zeólito, aparas de madeira, carvão vegetal, carvão mineral, restos de perfurações e combinações dos anteriores. Certas realizações consistem ainda em conduzir a combustão latente em uma temperatura na faixa entre 200 e 2000 graus Celsius. Outras realizações consistem ainda 10 em forçar ar através da mistura a uma velocidade linear entre 0.0001 e 100 centímetros por segundo.

Uma outra realização da invenção consiste ainda em misturar um combustível suplementar com o material de matriz porosa e o líquido orgânico antes da combustão.

Em certas realizações, o líquido orgânico é um líquido. Em outras realizações. 15 o líquido orgânico é um lodo. Em outras realizações, o líquido orgânico é uma lama. Em outras realizações, o líquido orgânico é uma emulsão.

Em outra realização da invenção, um método para redução volumétrica de líquidos orgânicos é provido consistindo em agregar o líquido orgânico em um vaso reator, uma pilha de matriz ou uma lagoa para formar um agregado. A realização 20 consiste ainda em adicionar um combustível suplementar selecionado a partir de um grupo consistindo em óleo vegetal, alcatrão, agentes oxidanles químicos, lamas de perfuração, e hidrocarbonetos de petróleo ao agregado. A realização também consiste em misturar um material de matriz porosa selecionado a partir de um grupo consistindo em areia, solos, silte, limo, solo de enchimento, pedras de pavimentação, cascalho. 25 pedras esmagadas, vidro, cerâmica, zeólito. aparas de madeira, carvão vegetal, carvão mineral, restos de perfurações e combinações dos anteriores çom o líquido orgânico para produzir uma mistura que possibilite a combustão latente autossustentável. A realização consiste ainda em forçar ar através da mistura, a partir de pelo menos uma porta de alimentação de ar e iniciar a combustão latente autossustentável da mistura a partir de 30 pelo menos um aquecedor condutívo. convectivo ou por radiação para efetuar a redução volumétrica do líquido orgânico.

De um modo geral, em cada uma das realizações acima descritas, deseja-se promover/manter à combustão latente autossustentável como um método de reduzir volumetrícamente um líquido orgânico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os aspectos previamente descritos de realizações serão mais prontamente compreendidos pela referência às seguintes descrições detalhadas, tomadas com referência aos desenhos em anexo, nos quais: A Figura 1 é uma vista esquemática transversal de um vaso misturador de 10 realizações da invenção e uma ferramenta misturadora exemplificadora. A Figura 2 é uma vista esquemática transversal de um vaso misturador contendo uma matriz porosa fixa ou solta. A Figura 3 é uma vista esquemática transversal de uma lagoa de líquido orgânico contendo um volume de líquido orgânico no qual um material de matriz é 15 adicionado. A Figura 4 é uma vista esquemática transversal de uma pilha de matriz ou pilha de solo ao qual um material de líquido orgânico é aplicado e misturado. A Figura 5 é uma vista esquemática aumentada de uma mistura líquido organiço/matriz porosa de acordo com realizações da invenção. A Figura 6 é um corte transversal esquemático de um vaso reator de combustão consistindo em uma fonte de agente oxidante, uma porta de alimentação de ar e elementos de aquecimento. A Figura 7A é um corte transversal esquemático de uma lagoa de líquido orgânico consistindo em uma mistura de líquido orgânico e matriz porosa com uma 25 pluralidade de portas de alimentação de ar e elementos de aquecimento. A Figura 7B é um corte transversal esquemático de uma pilha de solo consistindo em uma mistura de líquido orgânico e matriz porosa com uma pluralidade de portas de alimentação de ar e elementos de aquecimento. A Figura 8A é um corte transversal esquemático de uma lagoa de líquido 30 orgânico consistindo era uma mistura de líquido orgânico e matriz porosa, fonte de agente oxidante, porta de alimentação de ar no interior da lagoa, e elementos alternativos de aquecimento. A Figura 8B é um corte transversal esquemático de uma pilha de solo consisitindo em uma mistura de líquido orgânico e matriz porosa, fonte de agente oxidante. portas de alimentação de ar no interior da pilha, e elementos alternativos de aquecimento. A Figura 9 é uma ilustração de uma frente de combustão avançando através da mistura de um líquido orgânico e um material de matriz porosa ao longo da direção do fluxo de ar. A Figura 10 é uma vista de corte transversal de um vaso reator em que um dispositivo transportador ou de verruma é usado para transportar uma alimentação contínua ou semicontínua de uma mistura de líquido orgânico e material de matriz porosa a uma frente de combustão latente. A Figura 11 é um corte transversa! esquemático de um vaso reator com uma matriz porosa fixa ou se mi permanente em que uma alimentação contínua ou semicontínua de um líquido orgânico é adicionada ao material de matriz porosa. A Figura 12 é um fluxograma ilustrando etapas particulares de acordo com as realizações da invenção. A Figura 13 é uma representação gráfica da evolução da temperatura em função do tempo em uma combustão latente autossustentável de uma mistura óleo/areia. A Figura 14 é uma tabela apresentando as concentrações de hidrocarbonetos de petróleo na faixa de FI e BTEX. na faixa F2-F4. em compostos PAH da mistura óleo/areia antes e depois do tratamento, de acordo com o método da presente invenção. A Figura 15 mostra as fotografias de areia grossa como a única matriz porosa (A); a mistura de areia com óleo antes do tratamento (('): e a matriz porosa depois do tratamento (B).

DESCRIÇÃO DETALHADA DE REALIZAÇÕES ESPECÍFICAS

Definições. Conforme usado nessa descrição e nas reivindicações em anexo, os seguintes termos devem ter os significados indicados, a menos que o contexto requeira de maneira diferente. O termo "matriz porosa” significa um material sólido sintético ou natural contendo poros (espaços abertos) e no qual o material sólido pode ser uma única peça contendo poros ou uma coleção de sólidos granulares contendo poros entre eles. Exemplos de materiais apropriados que consistem nas matrizes porosas das realizações da presente invenção incluem areia, solos, silte. limo, solo de enchimento, pedras de pavimentação, cascalho, esferas de vidro, aparas de madeira, zeólito. pedras esmagadas, aparas ou esferas de cerâmica, carvão vegetal, carvão mineral, restos de perfurações e combinações dos anteriores. O termo "combustão latente" de uma composição significa o alo ou processo de queimar sem chama: uma oxidação rápida acompanhada por calor e luz mas sem chama: a combustão ocorre na superfície da composição (isto é. não na fase gasosa acima da composição conto ocorre com uma chama), nesse caso, a composição é uma mistura de um líquido orgânico e uma matriz porosa. O termo "líquido orgânico” significa um material orgânico que pode fluir como um líquido ou possuir plasticidade como uma substância viscosa que contém compostos de carbono orgânicos e inclui materiais que são parcialmente líquidos, tais como um lodo de hidrocarbonetos. lamas ou emulsões.

"Autossustentável" significa condições de reação nas quais a combustão latente é mantida em um líquido orgânico ou se propaga através de um líquido orgânico sem a aplicação de energia externa: isto é. quando o líquido orgânico que já está em combustão latente produz calor suficiente para elevar a temperatura na matéria adjacente até o seu ponto de combustão. As condições podem ser autossustentáveis mesmo se inicialmente for necessária a aplicação de calor para iniciara combustão latente.

O termo -pilha de matriz" significa qualquer pilha, monte ou conglomeração ou agregação vertical de um material de matriz porosa. A pilha de matriz pode ser tanto permanente como semi permanente.

O termo "ignição” significa o processo de iniciar combustão.

O termo "aquecimento condutivo” significa a transferência de energia térmica por contato físico direto.

O termo "aquecimento convectivo" significa a transferência de energia térmica pelo movimento de fluidos.

O termo "aquecimento por radiação" significa a transferência de energia térmica por radiação eletromagnética.

O termo "ferramenta misturadora” significa um implemento que quando em uso combina ou mescla o líquido orgânico e a matriz porosa em uma massa ou mistura.

Um "represamento" de liquido orgânico é uma agregação de um líquido orgânico em um vaso, ou em uma pilha no solo, ou em uma cavidade abaixo do nível do solo. Similarmente, um "represamento” de uma mistura ou um líquido orgânico com uma 10 matriz é uma agregação da mistura era um vaso, ou em uma pilha no solo, ou em uma cavidade abaixo do nível do solo.

A combustão latente é uma reação de combustão heterogênea porque o agente oxidante (gas) e o combustível (líquido ou lodo) são fases distintas. Isso contrasta com a combustão com chamas, que é uma reação homogênea ocorrendo em uma única fase 15 (gas)..

Em realizações da presente invenção, a matriz porosa serve como um suporte para confinar o líquido orgânico em um ambiente que facilita a combustão latente. A combustão latente é mantida pela reciclagem eficiente de energia no interior do sistema. Em primeiro lugar, o líquido orgânico sofre a combustão, liberando energia em forma de 2d calor que é retido ou absorvido pela matriz porosa. Em segundo lugar, a energia em forma de calor que é retida ou absorvida é reirradiada ou retornada ao sistema a partir de uma matriz porosa ou transferida através da mistura por fluidos em movimento (por exemplo, gás oxidante) para preaquecer o material líquido orgânico, removido para longe do ponto no espaço onde o processo de combustão foi iniciado. Assim, após um 25 fornecimento de energia de curta duração para iniciar o processo, a combustão latente é autossustentável (isto é, utiliza a energia dos líquidos orgânicos em combustão, junto com uma alimentação de agente oxidante, para manter a reação) e é capaz de se propagar para além do ponto de ignição na matéria combustível. Combustão latente é o único tipo de reação de combustão que pode se propagar através de uma mistura resíduo/matriz 30 porosa (isto é. chamas não são capazes de se propagar através de um sistema como esse).

Em um processo autossustentável, a fonte de aquecimento é interrompida após a iniciação da combustão latente.

O processo de combustão latente autossustentável pode ser estendido ao tratamento de líquidos orgânicos se as seguintes condições são satisfeitas: (I) o líquido orgânico contém energia inerente suficiente para sustentar um processo de combustão latente (isto é. ele é uin material combustível); (2) ele está misturado com uma matriz porosa para possibilitar o processo de combustão latente; (3) uma fonte de calor é provida para iniciar o processo; (4) uma alimentação de agente oxidante (por exemplo, oxigênio, ar, perclorato) é provida para iniciar e manter o processo; e (5) a fonte de calor é interrompida após a iniciação da combustão latente.

O método de tratamento de combustão latente autossustentável se aplica tanto a líquidos orgânicos, como a Iodos, lamas, ou emulsões e pode ser conduzido em meio poroso sintético ou natural ou em matrizes granulares sólidas. Em muitas aplicações, espera-se que os resíduos possam estar pelo menos parcial mente na fase líquida; por exemplo, como um lodo, uma lama ou uma emulsão de hidrocarbonetos.

O processo de combustão latente autossustentável possui numerosas vantagens para o tratamento de líquidos orgânicos. Em primeiro lugar, os produtos da combustão do processo são dióxido de carbono, monóxido de carbono, energia e água; portanto, o aterro de líquido orgânico não é necessário. Em segundo lugar, o processo é autossustentável (isto é. ele utiliza a energia dos líquidos orgânicos em combustão, junto com uma alimentação de agente oxidante, para manter a reação). Assim, o processo de combustão latente evita a necessidade de adição contínua de energia, calor, ou combustíveis como em um processo de incineração. A Figura I ilustra um vaso misturador (11). de acordo com certas realizações da invenção, no qual o líquido orgânico e a matriz porosa são adicionados. Uma ferramenta misturadora (12) é usada para criar uma mistura de resíduo orgânico e material de matriz porosa (13). Em realizações particulares da invenção, a mistura pode ocorrer no interior de um vaso reator ou em um represamento no qual a combustão latente será iniciada, Na realização particular da Figura I, uma ferramenta misturadora helicoidal (12) é representada, embora qualquer formato possã ser usado, incluindo ferramentas misturadoras espira fedas e em forma de pá.

Um vaso misturador (II) pode ser uma coluna cilíndrica ou uma caixa retangular (por exemplo vaso com paredes em aço inoxidável) ou uma cesta fabricada, um buraco escavado, uma pilha indicada, ou um cercado emparedado no qual um meio poroso é colocado e misturado com o líquido orgânico em preparação para a aplicação do processo de combustão latente.

O meio poroso pode ser um material poroso fixo ou solto (13). Uma matriz porosa fixa pode ser um material fabricado (por exemplo malha de aço. placa porosa, etc.) ou natural (por exemplo lava solidificada, coral, etc. Uma matriz porosa solta pode ser de materiais fabricados (granalha de aço. esferas de vidro, etc.) ou naturais (por exemplo cascalho, areia, etc,),

O posicionamento da mistura pode ser conseguido manualmente, com o uso de escavadeira ou draga, automaticamente, por meio sistemas de rosca transportadora ou esteira rolante. A adição de líquido pode ser conseguida por meio alimentação por derramamento, bombeamento. por transportador ou por gravidade (por exemplo, si fonado).

Qualquer líquido orgânico pode ser reduzido volumetricamente pelos métodos aqui revelados. Exemplos de líquidos orgânicos para os quais os métodos são particularmente efetivos incluem misturas de hidrocarbonetos tais eomo alcatrão e creosoto de carvão, hidrocarbonetos de petróleo, lamas de perfuração, e lodos de resíduos.

A combustão latente usada aqui é preferivelmente iniciada e mantida sob condições nas quais ela se torna autossustentável. Alguns materiais podem conter energia suficiente de forma que a combustão latente possa ser iniciada e mantida sem adicionar substâncias que aumentem a energia ao resíduo ou â mistura. Contudo, certas substâncias de resíduos podem requerer a adição em batelada de um ou mais suplementos combustíveis antes da ignição para assegurar que a combustão latente que se segue seja autossustentável, ou que a combustão latente tenha certas características tal como uma temperatura mais alta. Exemplos cie suplementos combustíveis incluem óleo vegetal, alcatrão, lamas de perfuração e hidrocarbonetos de petróleo. A Figura 2 representa uma outra realização da invenção na qual um vaso misturador ou reator (21) contém uma matriz porosa fixa ou solta (22) na qual o líquido 5 orgânico (23) e adicionado para criar uma mistura de líquido orgânico e material de matriz poros. Em realizações particulares em que um material orgânico líquido ou semilíquido é reduzido volumetricamente, uma mistura é criada enquanto o líquido orgânico percola entre as partículas da matriz. Em realizações em que a matriz porosa é solta, a mistura pode ser auxiliada usando-se uma ferramenta misturadora como descrito 10 aqui.

A ferramenta misturadora pode ser um misturador mecânico (12) tal como uma verruma ou uma rosca ou outros dispositivos rotatórios. A mistura também pode ser realizada por vibração, ou rotação do vaso inteiro. A mistura também pode ser realizada passivamente adicionando-se o líquido ao meio poroso no interior do vaso e deixando-o 15 se dispersar naturalmente devido à gravidade ou à capilaridade ou injetando-o sob pressão para o fundo do vaso, preenchendo o espaço dos poros do meio na medida em que ele migra para o topo do vaso. O líquido orgânico pode ser adicionado à matriz porosa como um fluxo ou corrente de líquidos através de um tubo, uma canaleta. ou outro emissor.

O processo de mistura pode ocorrer no interior do mesmo vaso usado para o processo de combustão latente, em um processo contínuo, em batelada ou em semibatelada, ou ser completado em um vaso misturador ou aparato específico separado.

A adição do material de matriz solta (22 ou 33 da Figura 3 abaixo) pode ser realizada manualmente, por meio de escavadeira ou draga, ou automaticamente, por 25 meio de sistema de rosca transportadora ou esteira transportadora.

O sistema transportador pode ser um sistema de rosca ou de esteira transportadora levando de um vaso misturador ao vaso reator e do vaso reator para a pilha tratada de solo de matriz. O transportador da mistura pode ser uma rosca transportadora oil outro dispositivo transportador mecânico ou ser um mecanismo de liberação para permitir a 30 passagem do material tratado, alimentado por gravidade, através do vaso reacional.

Um aspecto da invenção inclui a agregação de líquido orgânico em uma matriz porosa. Em realizações aqui descritas, a agregação ocorre quando o represamento de líquido orgânico é feito em um vaso acima do solo. Contudo, também é possível praticar uma realização da invenção quando o líquido orgânico está em um represamento abaixo do solo (isto é, abaixo da superfície da terra) em uma cavidade tal como uma lagoa ou tanque. A Figura 3 ilustra uma realização em que o represamento é uma lagoa de líquido orgânico (31). A lagoa inclui um volume de líquido semi-sólido ou orgânico (32) e na qual um material de matriz solta (33) é adicionado e misturado com uma ferramenta misturadora (34) para criar uma mistura de líquido orgânico e material de matriz porosa. Um exemplo de uma lagoa de líquido orgânico (31) pode ser uma escavação demarcada ou não demarcada, um tanque convertido, ou uma depressão natural usada para acumular e armazenar um líquido orgânico (32). Vale ressaltar que a ordem de adição não é particularmente importante. Realizações também são possíveis quando a lagoa é primeiramente preenchida com o material de matriz porosa e o líquido orgânico é adicionado posteriormente ou quando o material de matriz porosa é solo natural ou de enchimento e o líquido orgânico é derramado sobre o solo natural ou de enchimento e percola para o interior do solo natural ou de enchimento. De qualquer modo, uma mistura é formada em espaço abaixo do solo de proporções apropriadas para permitir a combustão latente e a redução do líquido.

Realizações adicionais são possíveis quando o represamento de líquido orgânico é acima do solo em uma pilha ou monte de matriz. A Figura 4 ilustra tal realização em que uma pilha de matriz (42) repousa na superfície da terra (41) na qual urn material de líquido orgânico (43) é aplicado. Uma ferramenta misturadora (44) pode ser utilizada para circular o líquido orgânico e criar a mistura. A pilha de matriz pode ser tanto uma estrutura livre como pode ser sustentada no interior de ou por estruturas adicionais. Por exemplo, paredes podem ser usadas para envolver a pilha.

Um exemplo de uma pilha de matriz (42) pode ser uma pilha de material escavado para a construção de uma depressão, uma pilha de material contaminado escavado como parte de uma estratégia de remediação de sítio, ou uma pilha de estocagem de material granular. O material orgânico pode ser aplicado ou misturado com a pilha de matriz derramando-se o líquido orgânico na superfície da pilha de matriz através de um tubo pressurizado ou alimentado por gravidade, por uma canaleta, ou por um emissor, e deixando que ele percole para o interior da pilha de matriz por gravidade ou sob pressão, revolvido na pilha de matriz por meio de máquinas revolvedoras de solo ou de enxadas, misturado por meio de escavadeira, draga ou máquinas misturadoras de solo/perfuradoras. A Figura 5 ilustra uma mistura de líquido orgânico/matriz porosa incluindo partículas sólidas (51) e bolhas ou gânglios contínuos ou descontínuos de líquido orgânico (52) localizados no interior dos espaços dos poros (53) da matriz porosa. Incorporar o material combustível em urna matriz porosa traz várias vantagens. Em primeiro lugar, permite a concentração do líquido orgânico em um leito de confinamento. As dimensões e o volume do leito de confinamento podem ser ajustados para se controlar precisamente a quantidade e a localização espacial da redução volumétrica do líquido. Em segundo lugar, quando reações exotérmicas (isto é, combustão) liberam suficiente energia, a reação pode ser autossustentável em meio poroso.

Embora o princípio de recirculação de calor seja prontamente compreendido, sua aplicação prática requer o balanceamento de muitas variáveis para assegurar a eficiência, a intensidade controlada de combustão (isto é, para manter a combustão latente), e controlar emissões poluentes. Atributos particulares da matriz porosa que requerem otimização incluem o tamanho de partícula da matriz porosa (por exemplo, de micrômetros a muitas polegadas), tamanho de poro, permeabilidade (Ixl 0 5 centímetros por segundo a centenas de centímetros por segundo), e mineralogia (por exemplo, areia de sílica, areia de carbonato, etc.). Atributos particulares do líquido orgânico que requerem otimização incluem composição química (por exemplo, teor de carbono e energia térmica inerente), viscosidade (por exemplo, I centistoke a centenas de centistokes), densidade (por exemplo, 200 a milhares de quilogramas por metro cúbico), volatilidade (por exemplo, volátil, semivolátil, não volátil), e molhabilidade (por exemplo, molhante orgânico ou não molhante orgânico). Atributos particulares do sistema de combustão que requerera otimização incluem tempo de preaquecimento (minutos a dias), intensidade de preaquecimento (temperaturas variando de cem graus Celsius a dois mil graus Celsius), taxa de fluxo inicial de agente oxidante (de alguns milímetros por segundos a dezenas de centímetros por segundo), taxa mantida de fluxo de agente oxidante (de alguns milímetros por segundo a dezenas de centímetros por 5 segundo), air pressão de ar (ámbiente a dezenas de libras por polegada quadrada depressão de ar), teor de agente oxidante (por exemplo, ar a oxigênio purificado).

Em realizações da invenção, observou-se que os seguintes materiais de matriz porosa formam misturas apropriadas com o líquido orgânico- areia, solos, lodo, limo, solo de enchimento, pedras de pavimentação, cascalho, esferas cerâmicas, e esferas de io vidro. Esses materiais, se dimensionados corretamente; criarão uma mistura com um líquido orgânico com urna relação área superficial por volume tal que as taxas de difusão de agente oxidante podem exceder as taxas de aquecimento c que uma quantidade suficiente de calor gerado durante o processo de combustão é transferida para e armazenada no material de matriz, de forma a tornar o calor armazenado no material de 15 matriz disponível para auxiliar em combustão adicional do líquido orgânico. O material de matriz possui características adicionais de espaço de poro suficiente para receber o líquido orgânico misturado com ele. e características de superfície, forma e seleção que respondem ao fluxo de ar através dos espaços dos poros. O processo operará ao longo de uma faixa de relações líquido orgânico por matriz porosa, mas é geralmente limitado 20 a teores de líquido orgânico que ocupam entre 0,01% e 100% de espaço de poro da matriz porosa,

A ignição de combustão latente requer tanto uma fonte de aquecimento para iniciar a combustão como uma fonte de agente oxidante para iniciar e manter a combustão. A Figura 6 ilustra um vaso reacional de combustão (61) contendo uma 25 mistura de líquido orgânico e matriz porosa (62). O agente oxidante c alimentado no vaso reator a partir de uma fonte de agente oxidante (63) através de uma porta de alimentação de ar (64). A porta de alimentação de ar pode consistir em uma única abertura para o interior do vaso reator ou pode consistir em um distribuidor com múltiplas aberturas posicionadas no interior do vaso reator. Duas fontes de aquecimento 30 diferentes são representadas, que podem ser usadas isoladamente ou em combinação.

Por exemplo, uma fonte de aquecimento (65) pode ser colocada em linha com o agente oxidante alimentado para fornecer calor convectivo para a mistura. Fontes convectivas de calor também podem ser posicionadas no interior do vaso reator ou no interior das paredes do vaso reator. Adicionalmente, uma fonte de aquecimento interna (66) pode 5 ser colocada no interior do vaso reator para fornecer calor condutivo ou por radiação para a ignição e a manutenção de combustão latente. Como mostrado na Figura 6, a fonte interna de aquecimento condutivo ou por radiação pode ser colocada em direção ao fundo do vaso reator para propagar uma frente de combustão "do fundo para o topo”. Fontes adicionais de calor condutivo podem ser colocadas ao longo do interior das io paredes do vaso reacional para iniciar a combustão em níveis variados no interior da mistura.

A fonte de agente oxidante pode ser um compressor de ar conectado ao vaso reator através de encanamento ou tubulação com pressão ou fluxo regulado ou não regulado. A porta de alimentação de ar pode ser uma série ou uma seção única de tubo 15 perfurado ou uma cavidade aberta ("plenum”) para distribuir agente oxidante no padrão desejado através da base da mistura. O elemento de aquecimento pode ser um cabo aquecedor eletricamente energizado, um aquecedor de cartucho eletricamente energizado, um aquecedor por radiação de tubo no qual o propano ou outra fonte externa de combustível éalimentada intemamente e colocada em combustão.

As portas.de alimentação de ar podem ser barras de aço-carbono, aço inoxidável ou de outro material perfuradas por cravação direta ("direct-push”), fontes de aço- carbono. aço inoxidável ou outro material com telas envolvidas em arame ou com fendas, instaladas verticalmente ou quase verticalmènte através da pilha de matriz ou da lagoa. Os elementos de aquecimento podem ser aquecedores resístivos elétricos ou 25 aquecedores por radiação instalados ou colocados no interior das barras ou fontes, instalados na pilha de matriz que envolve a barra ou as fontes, ou um elemento acima do solo aquecendo ar que passa através da barra ou da fonte e para o interior da pilha de matriz.

Em realizações particulares, o agente oxidante é oxigênio alimentado como um 30 componente de ar atmosférico. A reação é controlável de tal forma que interrompendo- se a alimentação de oxigênio para a frente de reação interrompe-se a reação. Aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de fluxo de oxigênio à frente de reação também se aumenta ou diminui a taxa de combustão e, assim, a taxa de propagação da frente de reação, respectivamente.

Vale ressaltar que a combustão pode ser monitorada, de acordo com os métodos conhecidos pelos técnicos no assunto, para determinar as quantidades de oxigênio, ar ou outro agente oxidante requerido para manter ã combustão latente. As temperaturas de combustão são monitoradas normalmente com termopares que podem ser dispostos ao longo do volume de material a ser tratado. Gases de combustão também podem ser coletados na saída do vaso reator ou na superfície da mistura de líquido orgânico e material de matriz porosa para caracterizar as taxas de destruição da massa de líquido orgânico e a eficiência da combustão. Tais métodos são práticas comuns para o monitoramento de muitos processos de combustão, incluindo sistemas de incineração.

Como ilustrado na figura 7, realizações da presente invenção podem utilizar represamentos com múltiplas portas de alimentação de ar e elementos de aquecimento. A Figura 7A representa uma realização em que o represamento é uma lagoa de líquido orgânico contendo uma mistura de liquido orgânico e matriz porosa (711). O agente oxidante pode ser alimentado na lagoa de líquido orgânico ou pilha de matriz por uma fonte de agente oxidante (712) que é acoplada a portas de alimentação de ar (713). As portas de alimentação de ar podem ser poços perfurados em uma mistura suficientemente sólida. Alternativamente, as portas de alimentação de ar podem ser canais ocos perfurados inseridos em misturas sólidas ou mesmo relativamente líquidas. As portas de alimentação de ar podem ser espaçadas de acordo com as dimensões totais da lagoa de forma que o agente oxidante é entregue em quantidade suficiente e a uma taxa suficiente ao longo de toda a lagoa: facilitando assim a combustão latente em toda a lagoa. Similarmente, uma única ou uma pluralidade de elemento(s) de aquecimento convective (714) podem ser dispostos ém linha cõm o ar alimentado para iniciar a combustão latente em múltiplos pontos no interior da lagoa. Adicionalmente ou alternativamente, elementos múltiplos de aquecimento condutivo, convective ou por radiação (715) podem ser dispostos nos poços ou canais ou nos materiais de preenchimento de forma que eles estejam no interior da lagoa. A Figura 7B é uma realização em que o represamento é uma pilha de matriz (721). Como acima, tanto as portas de alimentação de ar como os elementos de 5 aquecimento podem ser usados. Por exemplo, o agente oxidante pode ser alimentado à pilha de matriz orgânica por meio de uma Fonte de agente oxidante (722) que é acoplada a portas de alimentação de ar (723). As portas de alimentação de ar podem ser poços perfurados em uma mistura suficientemente sólida ou cm canais ocos inseridos em misturas suficientemente sólidas ou mesmo relativamente líquidas. As portas de io alimentação de ar podem ser espaçadas de acordo com as dimensões totais da pilha de forma que o agente oxidante seja entregue em quantidade suficiente e em uma taxa suficiente por toda a pilha; facilitando assim a combustão latente por toda a pilha. Similarmente. um único ou uma pluralidade de eleniento(s) de aquecimento convectivo(s) (724) pode ser disposto em linha com o ar alimentado para iniciar a 15 combustão latente em múltiplos pontos no interior da pilha de matriz, Adicionalmente ou alternativamente, elementos múltiplos de aquecimento condutivo. convectivo ou por radiação (725) podem ser dispostos no interior de poços ou canais ou nos materiais de preenchimento de forma que eles estejam no interior da pilha de matriz. A Figura 8 ilustra realizações adicionais de represamentos com portas de 20 alimentação de ar e elemento(s) de aquecimento. Na Figura 8A, uma lagoa de líquido orgânico é mostrada contendo uma mistura de líquido orgânico e matriz porosa (8II). O agente oxidante é fornecido à lagoa de líquido orgânico a partir de uma fonte de agente oxidante (812) através de uma(s) pona(s) de alimentação de ar (813) no interior ou abaixo da lagoa. As portas de alimentação de ar podem consistir em múltiplos pontos de 25 entrada para o interior da lagoa ou. como representado, uma instalação do tipo distribuidora disposta em direção ao fundo da lagoa. Elemento(s) de aquecimento (814) podem serdisposlos em linha com o agente oxidante alimentado ou no interior ou abaixo da lagoa. Como acima, a posição particular do(s) elemento(s) de aquecimento e da(s) porta(s) de alimentação de ar pode ser otimizada para facilitar a combustão latente 30 conforme necessário para um dado material líquido orgânico. A Figura 8B é uma realização correspondente em que o represamento ê uma pilha de matriz. Na Figura 8B, uma pilha de matriz é mostrada contendo uma mistura de Iíqrfido orgânico e matriz porosa (821). O agente oxidante é alimentado à pilha a partir de uma fonte de agente oxidante (822) através de uma porta de alimentação de ar (823) no interior ou abaixo da pilha. Como descrito para as realizações com lagoa, várias configurações de portas de alimentação de ar são possíveis, incluindo estruturas de múltiplas entradas e estruturas únicas do ripo distribuidoras. Elemento(s) de aquecimento (824) podem ser dispostos em linha com o agente oxidante alimentado para prover calor convectivo. Adicional mente ou alternalivamente. uma fonte de aquecimento condutiva, convectiva ou por radiação (825) pode ser disposta no interior ou abaixo da pilha. Fontes menores e individuais de aquecimento condutivo, convectivo ou por radiação também podem ser dispostas em múltiplos locais no interior da pilha.

As portas de alimentação de ar podem ser barras de aço-carbono, aço inoxidável ou de outro material perfuradas por cravação direta, fontes de aço-carbono, aço inoxidável ou outro material com telas envolvidas em arame ou com fendas, instaladas horizontalmente através da pilha de matriz ou lagoa. Os elementos de aquecimento podem ser aquecedores rcsislivos elétricos ou aquecedores por radiação instalados ou dispostos no interior da barra ou das fontes, instalados na pilha de matriz que envolve a barra ou a fonte, ou um elemento acima do solo aquecendo ar passando através da barra ou da fonte c para o interior da pilha de matriz.

Realizações da presente invenção podem ser projetadas de forma que uma frente de combustão se propague através de um vaso reator, uma lagoa de matriz ou uma pilha de matriz. A freme de combustão pode ser direcionada por meio de manipulações espaciais de aquecimento e de fluxo de ar para que ela avance para cima ou lateralmente em qualquer direção. A Figura 9 ilustra o progresso (91) da frente de combustão (92) através de uma mistura de líquido orgânico e material de matriz porosa (93). Nestas realizações, a propagação da frente de combustão avança na direção do fluxo de ar (94). Enquanto a frente de combustão avança através da matriz porosa, o líquido orgânico no interior da frente de combustão entra em combusão e o líquido orgânico que segue a frente de combustão é aquecido. Nesta realização particular, a combustão do líquido orgânico avança essencialmente até a totalidade, deixando para trás uma área de matriz porosa (95) em que o líquido orgânico passou por uma redução volumétrica como um resultado de combustão latente.

Realizações adicionais podem transportar o líquido orgânico/inatriz porosa relativo à frente de combustão. A Figura 10 ilustra um vaso reator (101) de acordo com uma tal realização em que o primeiro dispositivo transportador ou de verruma (102) é usado para transportar uma alimentação contínua ou semicontínua de uma mistura de líquido orgânico e material de matriz porosa (103) para uma frente de reação de combustão latente pseudoestacionária (104). A alimentação de mistura é mantida por meio de uso de sistema transportador (102) transportando uma composição pré- misturãda de líquido orgânico e material de matriz porosa (103) ao vaso reator. A frente de reação de combustão latente é mantida por meio da adição de agente oxidante (105). Uma ferramenta misturadora ou transportadora (106) pode ser utilizada para propagar a mistura ao longo do vaso reator. Embora uma ferramenta misturadora helicoidal seja representada, ferramentas de formas alternativas (por exemplo, espiraladas. em forma de pá) podem ser usadas. A ferramenta misturadora pode servir também para circular o agente oxidante através da mistura. Na frente de combustão, o líquido orgânico na mistura é consumido essencialmente como um resultado de combustão latente, e uma redução volumétrica (106) é realizada. A matriz porosa tratada (107) é retirada do vaso reator de forma contínua ou semicontínua e transportada ao longo de um segundo sistema de transporte (108) como uma matriz porosa tratada (109).

Em realizações adicionais, o líquido orgânico pode ser misturado com uma matriz porosa que é. ela própria, combustível (por exemplo, aparas de madeira). Isto é. a mistura inteira pode ser consumida essencial mente na frente de combustão, deixando apenas resíduos de matriz não orgânicos (por exemplo, cinzas). Em tais realizações, o resíduo pode ser removido por um dispositivo transportador ou de verruma como mostrado na Figura 10.

Em certas realizações, uma matriz porosa fixa ou semi permanente pode ser usada. Melhor do que simplesmente misturar o líquido orgânico e a matriz porosa, essas realizações permitem que o líquido orgânico percole através de um leito de matriz fixa ou semipermanente. Em realizações particulares com uma matriz semipermanente, contudo, a percolação pode ser auxiliada com uma ferramenta misturadora. A Figura I I ilustra uma realização particular com uma matriz porosa fixa Ou semipermanente. Um vaso reacional (111) é mostrado com um leito de matriz porosa fixa ou semipermanente (112) para o qual uma alimentação continua ou semicontínua de um líquido orgânico é adicionada (não mostrada). Depois que a mistura é formada, a combustão latente pode ser iniciada na frente de reação de combustão latente (113). A combustão latente pode ser iniciada por elementos de aquecimento convectivo, condutivo ou por radiação dispostos fora, na superfície ou dentro do vaso reator, próximos de onde a combustão latente vai ser iniciada. A combustão latente pode ser mantida por meio da adição de agente oxidante (114) através de uma porta de alimentação de ar (I 15). A frente de combustão avança na direção do fluxo de ar através da mistura de matriz porosa permanente ou semipermanente e líquido orgânico, A posição da frente de reação de combustão (124) é governada pela taxa de adição de agente oxidante (123). a taxa de adição líquido orgânico e as propriedades da mistura de líquido orgânico, material de matriz porosa, e os parâmetros operacionais (por exemplo, taxa de fluxo de ar). Enquanto a frente de combustão avança, o líquido orgânico é reduzido volumetricamente. Abaixo da frente de combustão-está a matriz porosa tratada (I 16). A Figura 12 é um fluxograma de realizações da invenção. Primeiramente, uma matriz porosa é misturada com um líquido orgânico (131). Como descrito acima, uma particular combinação e razão matriz/líquido pode ser escolhida para facilitar a combustão latente para tipos específicos de líquido orgânico. A seguir, o agente oxidante é forçado através da mistura (132). A presença de agente oxidante permite que a combustão latente seja iniciada e mantida (133). Como descrito acima, a quantidade de agente oxidante, taxa de fluxo, e componentes adicionais (por exemplo, combustíveis suplementares adicionados antes da ignição) podem ser usados para assegurar que a combustão seja mantida em um estado latente e para otimizar a combustão para uma mistura particular. Exemplo I:

Testes de combustão latente para o tratamento de um material líquido oleoso (produto residual de refinaria de óleo e gás) foram realizados em uma coluna de vidro de quartzo de 138 milímetros (mm) de diâmetro e 275 mm de altura. Para preparar o s material contaminado, o material oleoso foi misturado em uma relação de massa de 259 gramas de óleo por quilograma de areia de quartzo disponível comercialmente (# 12ST Silica Sand. Bell & Mackenzie Co. Ltd.. Hamilton. Canadá), que é caracterizada por uma densidade volumétrica de 1.600 quilogramas por metro cúbico, um tamanho médio de grão de 0,88 mm. e uma porosidade média de 37% quando embalada a seco. A io mistura foi homogeneizada por agitação mecânica antes de ser embalada no aparato a uma espessura de onze centímetros. A mistura foi sustentada por um difusor de ar alimentado por um compressor de ar e um cábo aquecedor revestido com inconel (Bluewater Heater Inc., Canadá). Onze term opa res tipo K revestidos com inconel foram inseridos no pacote de areia ao longo do eixo central da coluna e espaçados a intervalos 15 de 10 mm acima do cabo aquecedor para rastrear as temperaturas no interior do aparato e. dessa forma, a posição da frente de combustão â medida que ela se propaga na mistura. Os termopares foram conectados a um sistema de aquisição de dados (Unidade Multifuncional de Medição e Comutação 34980A. Agilent Technologies).

No começo do experimento, a mistura foi aquecida aplicando-se uma corrente 20 ao aquecedor de cabo e o fluxo de ar foi iniciado por meio de um difusor de água a um fluxo (Darcy) de 5,0 centímetros por segundo até que a temperatura limite de 280 graus Celsius foi excedida dois centímetros acima da posição do aquecedor de cabo. Esse método de aquecimento simula uma fonte combinada de aquecimento condutivo e convectivo. Então, a injeção de ar foi aumentada e mantida até o fim do experimento a 25 um fluxo (Darcy) de 9,0 centímetros por segundo. 0 cabo aquecedor foi desligado quando a temperatura a um centímetro acima da posição do cabo aquecedor começou a cair com o tempo (isto é. após o pico), aproximadamente 9 minutos depois de aumentar o fluxo de ar de 5.0 para 9.0 centímetros por segundo. O experimento terminou quando a temperatura a onze centímetros acima do cabo aquecedor (isto é. no topo da mistura) 30 começou a diminuir com o tempo (isto é, após o pico), aproximadamente 23 minutos após aumentar o fluxo de ar de 5,0 para 9,0 centímetros por segundo. A potência máxima usada pelo cabo aquecedor foi de aproximadamente 390 W.

A caracterização do experimento foi realizada pelos termopares localizados no interior da mistura colocada e por meio da análise de amostras da mistura óleo/areia e amostras de emissões gasosas. Uma amostra de solo de 180 mililitros (ml) foi coletada de uma batelada homogeneizada da mistura pré-tratamento, e uma outra amostra de solo de uma batelada homogeneizada da areia tratada e enviadas para a Maxxam Analytics (London, Ontario) para análise de: 1) hidrocarbonetos de petróleo Fl & BTEX no Solo (Método CCME CWS): 2) hidrocarbonetos de petróleo F2-F4 nõ Solo (Método CCME CWS); 3) F4G (Método CCME Gravimétrico de Hidrocarbonetos); e 4) compostos hidrocarbonetos aromáticos (PAH) no solo por GC/MS (Método EPA 8270). Uma amostra representativa das emissões gasosas foi retirada do topo do aparato a uma taxa constante para que a duração do experimento resulte em uma amostra ao longo de todo o procedimento. A humidade e os componentes coondensáveis foram removidos da corrente de gás e coletados em uma armadilha de condensado, enquanto a amostra de gás seco foi coletada em uma bolsa Tedlar de 5 litros. Tanto a amostra de gás seco como a de condensado foram enviadas para a Maxxam Analytics (London, Ontário) para análise de: I) monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2) por GC/TCD (Método EPA 3C): 2) BTEX e Compostos Orgânicos Voláteis (’’‘Volatile Organic Compounds” - VOCs) na fase gasosa (Método EPA TO-I5A); 3) e BTEX e VOCs no condensado (Método EPA 8260).

O protocolo de ignição descrito acima (aplicando-se uma corrente ao cabo aquecedor, com o fluxo de ar iniciado por meio de um difusor de ar a um (Darcy) fluxo de 5,0 centímetros por segundo, seguido por um aumento no fluxo de ar para um (Darcy) fluxo de 9,0 centímetros por segundo e interrompendo-se a fonte de aquecimento) resultou em combustão latente autossustentável da mistura. O comportamento de combustão latente autossustentável é mostrado nos gráficos de temperatura X tempo apresentados na Figura 13. Sabe-se que o comportamento autossustentável ocorre quando marcações decrescentes de temperatura X tempo de um local são cruzados com marcações crescentes de temperatura X tempo de um segundo local adjacente. Este cruzamento de temperatura demonstra que a reação cria um excesso de energia que permite que a reação de combustão se propague (nesse caso, em uma direção para cima). As temperaturas de pico (máximo) foram medidas por termopares na mistura na faixa de aproximadamente 480 a 520 graus durante o experimento, incluindo o período de tempo 5 após a interrupção do cabo aquecedor. A análise dos tempos de ocorrência de temperatura de pico em cada temjopar no interior da mistura indica que a velocidade de propagação da combustão latente c de aproximadamente 0,63 cm/min (1,26 pés por hora). A Figura 14 apresenta uma tabela de concentrações de hidrocarbonetos de to petróleo na faixa de I I e BTEX. na faixa F2-F4. e de compostos PAH da mistura ôleo/areia antes do tratamento. O teor medido de água da mistura óleo/areia medido proteste foi de 12% e a concentração de óleo por análise gravirnctrka foi de 259.000 mg/kg. Isso equivale a uma concentração de peso seco de óleo de 139.000 mg/kg. A soma da fração de óleos FI-F4 é de aproximadamente 76.500 mg/kg. A Figura 14 também 15 apresenta a análise de frações Fl e BTEX. F2-F4. e de PAFI no solo após o tratamento. Para a amostra pós-tratamento, observou-se que lodos os compostos analisados estavam abaixo dos limites mínimos de detecção da instrumentação analítica, indicando 100% de redução volumétrica do líquido orgânico para os componentes examinados (assumindo que a não detecção equivale à completa ausência de componentes). Esse nível de 20 remoção de óleo pode ser visto na Figura 15. que mostra as fotografias de amostras "antes' do tratamento e "depois" do tratamento,

As concentrações de CO e COi (gases de combustão) medidas durante 0 teste foram "não detectado’ e 0.4%, respectivamente. Compostos voláteis detectados na fase vapor acima de I parte por milhão por volume (ppmv) incluem: dissulfeto de carbono, 25 propeno. clorometano. 2-propanona, heptano. e benzeno. Compostos voláteis detectados no condensado coletado da fase vapor acima de I parte por milhão (ppm) incluem: benzeno. clorobenzeno. etilbenzeno. o-xileno. p+m-xíleno e tolueno.

Múltiplos experimentos repelidos foram conduzidos e resultados muito similares àqueles descritos na Figura 13 foram obtidos. Modificações do protocolo de ignição, incluindo o 30 uso de um procedimento de aquecimento puramente condutivo (sem fluxo de ar antes da ignição) ou puramente convectivo (sem contato entre o cabo aquecedor e a mistura), também produz resultados similares àqueles descritos na Figura 13.

Os dados experimentais acima demonstram claramente que o método da presente invenção é uma tecnologia de tratamento viável para a redução volumétrica de 5 líquidos orgânicos.

Várias modificações podem ser feitas no que foi descrito anteriormente sem que se afaste do espírito e do escopo da presente invenção. Por exemplo, enquanto os experimentos descritos acima demonstram a propagação da frente de combustão em uma direção vertical para cima, a propagação também pode avançar horizontalmente ou em io qualquer outra direção se manipulada suficientemente pelo local da ignição e a direção de fluxo de ar no interior da mistura.

Pretende-se que as realizações da invenção descritas acima sejam meramente exemplificadoras; numerosas variações e modificações serão aparentes àqueles que são técnicos no assunto, Pretende-se que todas essas variações e modificações estejam 15 incluídas no escopo da presente invenção, conforme definido em qualquer uma das reivindicações em anexo.

Claims (14)

1. Método para redução volumétrica de um líquido orgânico de resíduos em um volume que é uma fase líquida, que compreende as etapas de: - misturar o líquido orgânico de resíduos com um material de matriz porosa para produzir uma mistura; - aquecer uma porção da mistura; - forçar agente oxidante através da mistura; e - interromper a fonte de calor aplicado à mistura; de forma a iniciar a combustão latente autossustentável da mistura para realizar a redução volumétrica do líquido orgânico residual, caracterizado pelo fato de misturar o material de matriz porosa compreende: a alimentação em batelada do líquido orgânico de resíduos e do material poroso no interior do vaso; ou formar um leito de confinamento compreendendo um dos referidos material de matriz porosa ou do líquido orgânico de resíduos e verter continuamente para o leito de confinamento o outro dos referidos material de matriz porosa ou do líquido orgânico residual.

2. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente causar a propagação da combustão para longe do ponto de ignição da combustão.

3. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de adicionalmente agregar o líquido orgânico de resíduos em um vaso reacional.

4. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de adicionalmente agregar o líquido orgânico de resíduos em uma pilha que inclui o material de matriz porosa.

5. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de adicionalmente agregar a matriz porosa em uma lagoa de líquido orgânico.

6. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de adicionalmente alimentar continuamente a mistura em uma zona de combustão latente.

7. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de adicionalmente usar uma ferramenta misturadora para misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico de resíduos para produzir a mistura.

8. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a ferramenta misturadora inclui uma lâmina rotativa helicoidal.

9. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 3 a 8, caracterizado pelo fato de que misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico de resíduos para produzir a mistura consiste em: - formar um leito de confinamento permanente ou semipermanente compreendendo o material de matriz porosa; e - verter continuamente o líquido orgânico de resíduos no leito de confinamento.

10. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que forçar agente oxidante através da mistura inclui a injeção de ar no interior da mistura através de uma porta de injeção.

11. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 4, 5, 6 ou 9, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: - misturar o material de matriz porosa com o líquido orgânico de resíduos usando uma ferramenta misturadora helicoidal para produzir a mistura; - alimentar a mistura por meio de um primeiro sistema transportador no interior da zona de combustão latente; e - remover o produto da combustão por meio de um segundo sistema transportador.

12. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a mistura contém um material não combustível e o método compreende ainda uma etapa de manter a combustão latente autossustentável até que parte ou todo o material não 5 combustível seja tornado menos tóxico pela exposição ao calor latente.

13. Método para redução volumétrica de líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de: - adicionar um combustível suplementar, selecionado a partir de um grupo consistindo em óleo vegetal, alcatrão, agentes oxidantes químicos, lamas de 10 perfuração e hidrocarbonetos de petróleo, ao agregado.

14. Método para redução volumétrica do líquido orgânico de resíduos de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o material de matriz porosa é selecionado de um grupo consistindo em areia, solos, silte, limo, solo de enchimento, pedras de pavimentação, cascalho, pedra esmagada, vidro, 15 cerâmica, zeólito, aparas de madeira, carvão vegetal, carvão mineral, restos de perfuração e combinações dos anteriores com o líquido orgânco de resíduos para produzir uma mistura na qual a mistura é suficientemente uniforme para permitir uma combustão latente autossustentável.

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