BR112013029477A2 - roasting method of a biomass comprising the cooling step of the roasting reaction - Google Patents
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Abstract
MÉTODO DE TORREFAÇÃO DE UMA BIOMASSA COMPREENDENDO O PASSO DE RESFRIAMENTO DA REAÇÃO DE TORREFAÇÃO A invenção refere-se a um método e um arranjo para torrefação de uma biomassa. Referidos método e arranjos permitem o controle preciso da temperatura de torrefação, o que é crucial para controle exato da qualidade e propriedades do material torrificado. O método compreende um passo de resfriamento da reação de torrefação de modo a, pelo menos, parcialmente neutralizar um aumento da temperatura derivado das reações de torrefação exotérmicas.ROASTING METHOD OF A BIOMASS UNDERSTANDING THE COOLING STEP OF THE ROASTING REACTION The invention relates to a method and arrangement for roasting a biomass. These methods and arrangements allow precise control of the roasting temperature, which is crucial for accurate control of the quality and properties of the roasted material. The method comprises a step of cooling the roasting reaction in order to at least partially neutralize an increase in temperature derived from exothermic roasting reactions.
Description
[001] A presente invenção refere-se ao campo da torrefação de biomassa. Em particular, refere-se a um método e um arranjo para controle preciso da temperatura de torrefação, que é crucial para o controle exato da qualidade e propriedades do material torrificado.[001] The present invention relates to the field of biomass roasting. In particular, it refers to a method and arrangement for precise control of the roasting temperature, which is crucial for the exact control of the quality and properties of the roasted material.
[002] Para ser capaz de competir com e substituir portadores de energia de combustíveis fósseis como carvão, petróleo e gás natural, biomassa lignocelulósica iria beneficiar de alguma forma de método de pré-tratamento para superar desvantagens inerentes. O método de pré-tratamento de torrefação tem sido mostrado para melhorar aa qualidades do combustível de biomassa, tais como densidade de energia, teor de água e moagem, alimentação e as propriedades hidrofóbicas [1-4]. Estas melhorias estabelecem torrefação como um processo-chave para facilitar um mercado em expansão para matérias-primas de biomassa. Torrefação é um método de pré-tratamento térmico, que normalmente tem lugar numa atmosfera substancialmente inerte (sem oxigênio), a uma temperatura de cerca de 220-600°C. Durante o curso de processo um gás combustível compreendendo diferentes compostos orgânicos é liberado da matéria-prima de biomassa além da biomassa torrificada.[002] To be able to compete with and replace energy carriers of fossil fuels like coal, oil and natural gas, lignocellulosic biomass would benefit from some form of pretreatment method to overcome inherent disadvantages. The roasting pretreatment method has been shown to improve the qualities of biomass fuel, such as energy density, water and milling content, feed and hydrophobic properties [1-4]. These improvements establish roasting as a key process to facilitate an expanding market for biomass raw materials. Roasting is a method of heat pretreatment, which usually takes place in a substantially inert atmosphere (without oxygen), at a temperature of about 220-600 ° C. During the course of the process a combustible gas comprising different organic compounds is released from the raw material of biomass in addition to the roasted biomass.
[003] O processo de produção de um material torrificado a partir de biomassa lignocelulósica pode ser dito incluir quatro etapas:[003] The process of producing a roasted material from lignocellulosic biomass can be said to include four stages:
1) um passo de secagem, em que a água livre retida na biomassa é removida; 2) um passo de aquecimento, em que a água fisicamente ligada é liberada e a temperatura do material é elevada á temperatura de torrefação desejada; 3) uma etapa de torrefação, na qual o material é, na verdade, torrificado e que começa quando a temperatura do material atinge cerca de 220°C-230°C. Durante esta etapa, a biomassa se decompõe parcialmente e libera diferentes tipos de produtos voláteis, como por exemplo, hidroxiacetona, metanol, propanal, ácidos carboxílicos curtos e outros hidrocarbonetos. Em particular, a etapa de torrefação é caracterizada pela decomposição de hemicelulose a temperaturas de 220°C-230°C, e a temperaturas de torrefação mais altas, celulose e lignina também começam a decompor-se e liberar materiais voláteis; celulose decompõe-se a uma temperatura de 305-375°C e lignina decompõe gradualmente ao longo de um intervalo de temperatura de 250-500°C; 4) um passo de resfriamento para terminar o processo e facilitar o manuseio. O processo de torrefação é terminado logo que o material é resfriado abaixo de 220°C-230°C1) a drying step, in which the free water retained in the biomass is removed; 2) a heating step, in which the physically bound water is released and the material temperature is raised to the desired roasting temperature; 3) a roasting step, in which the material is, in fact, toasted and which begins when the material temperature reaches about 220 ° C-230 ° C. During this stage, the biomass partially decomposes and releases different types of volatile products, such as hydroxyacetone, methanol, propanal, short carboxylic acids and other hydrocarbons. In particular, the roasting step is characterized by the decomposition of hemicellulose at temperatures of 220 ° C-230 ° C, and at higher roasting temperatures, cellulose and lignin also begin to decompose and release volatile materials; cellulose decomposes at a temperature of 305-375 ° C and lignin gradually decomposes over a temperature range of 250-500 ° C; 4) a cooling step to finish the process and facilitate handling. The roasting process is finished as soon as the material is cooled below 220 ° C-230 ° C
[004] Os requisitos para qualidade e propriedades dos produtos torrificados variam consideravelmente, dependendo do uso pretendido do produto. Os inventores perceberam que é essencial ser capaz de controlar com precisão a temperatura de torrefação de forma a gerar um produto torrificado com as características desejadas. A presente invenção baseia-se no conhecimento de que as reações exotérmicas, de aumento de temperatura, ocorrem durante o processo de torrefação e que a quantidade de energia produzida varia consideravelmente entre os diferentes tipos de materiais lignocelulósicos. Por exemplo, os inventores descobriram que a torrefação de biomassa lenhosa de eucalipto gera muito mais energia por reações exotérmicas que a torrefação de biomassa lenhosa de abeto. As reações exotérmicas no processo de torrefação, então, fazem com que seja difícil manter uma temperatura de torrefação constante e obter um produto torrificado de uma qualidade desejada e reprodutível. Assim, os inventores perceberam uma necessidade para métodos melhorados de torrefação que permitam um controle preciso da temperatura de torrefação e que facilite o controle preciso da qualidade e propriedades do material torrificado.[004] The requirements for quality and properties of roasted products vary considerably, depending on the intended use of the product. The inventors realized that it is essential to be able to precisely control the roasting temperature in order to generate a roasted product with the desired characteristics. The present invention is based on the knowledge that exothermic reactions, of temperature increase, occur during the roasting process and that the amount of energy produced varies considerably between different types of lignocellulosic materials. For example, the inventors found that roasting woody biomass from eucalyptus generates much more energy from exothermic reactions than roasting woody biomass from fir trees. The exothermic reactions in the roasting process, then, make it difficult to maintain a constant roasting temperature and obtain a roasted product of a desired and reproducible quality. Thus, the inventors realized a need for improved roasting methods that allow precise control of the roasting temperature and that facilitate the precise control of the quality and properties of the roasted material.
[005] Os inventores têm resolvido o problema descrito acima com um método de torrefação de uma biomassa seca e aquecida, compreendendo o passo de arrefecimento da reação de torrefação de modo a neutralizar pelo menos parcialmente um aumento de temperatura derivado das reações de torrefação exotérmicas. Outro aspecto da invenção refere-se a um arranjo de torrefação compreendendo pelo menos uma zona de torrefação, em que a zona de torrefação compreende meios para arrefecimento e, opcionalmente, também meios de aquecimento e em que os meios de arrefecimento estejam ligados a uma fonte de arrefecimento.[005] The inventors have solved the problem described above with a method of roasting a dry and heated biomass, comprising the step of cooling the roasting reaction in order to neutralize at least partially a temperature rise resulting from exothermic roasting reactions. Another aspect of the invention relates to a roasting arrangement comprising at least one roasting zone, in which the roasting zone comprises means for cooling and, optionally, also heating means and in which the cooling means are connected to a source cooling.
[006] A Figura 1 mostra um arranjo que compreende uma zona de torrefação a torrefação em que a zona de torrefação compreende meios para arrefecimento.[006] Figure 1 shows an arrangement that comprises a roasting to roasting zone in which the roasting zone comprises means for cooling.
[007] A Figura 2 mostra uma variação da temperatura típica no arranjo de torrefação mostrado na figura 1. Note que a zona de arrefecimento não é mostrada na figura 1.[007] Figure 2 shows a typical temperature variation in the roasting arrangement shown in figure 1. Note that the cooling zone is not shown in figure 1.
[008] A Figura 3 mostra uma variação da temperatura típica no arranjo de torrefação divulgado na figura 1. Note que a zona de arrefecimento não é mostrada na figura 1.[008] Figure 3 shows a typical temperature variation in the roasting arrangement disclosed in figure 1. Note that the cooling zone is not shown in figure 1.
DEFINIÇÕES Torrefação:Roasting DEFINITIONS:
[009] Um método de pré-tratamento térmico que ocorre numa atmosfera praticamente inerte (sem oxigênio) a uma temperatura acima de 220°C, mas abaixo de 600°C e que produz uma biomassa torrificada e gases combustíveis. Durante uma etapa de torrefação, partes da biomassa, em particular hemicelulose, decompõem-se e liberam diferentes tipos de produtos orgânicos voláteis. Em um processo de torrefação iniciado a partir da biomassa em bruto, a etapa de torrefação real é precedida por uma etapa de secagem em que a água livre retida na biomassa é removida e por uma etapa de aquecimento em que a biomassa é aquecida até a temperatura de torrefação desejada. Zona de aquecimento:[009] A method of thermal pretreatment that takes place in a virtually inert atmosphere (without oxygen) at a temperature above 220 ° C, but below 600 ° C and that produces a roasted biomass and combustible gases. During a roasting stage, parts of the biomass, in particular hemicellulose, decompose and release different types of volatile organic products. In a roasting process initiated from raw biomass, the actual roasting step is preceded by a drying step in which the free water retained in the biomass is removed and by a heating step in which the biomass is heated to the temperature of desired roasting. Heating zone:
[0010] Uma região específica de um compartimento em um arranjo de torrefação, localizada a montante de uma zona de torrefação em relação a uma entrada de biomassa de um arranjo de torrefação, que compreende meios para regular especificamente a temperatura na referida região específica e em que a temperatura de uma biomassa é aumentada para uma temperatura próxima à temperatura de torrefação desejada antes da torrefação. Zona de Torrefação:[0010] A specific region of a compartment in a roasting arrangement, located upstream of a roasting zone in relation to a biomass inlet of a roasting arrangement, which comprises means to specifically regulate the temperature in that specific region and in that the temperature of a biomass is raised to a temperature close to the desired roasting temperature before roasting. Roasting Zone:
[0011] Uma região específica de um compartimento em um arranjo de torrefação, localizada a jusante de uma zona de aquecimento, em relação a uma entrada de biomassa de um arranjo de torrefação, que compreende meios para regular especificamente a temperatura na referida região específica e em que a temperatura de uma biomassa previamente aquecida é mantida virtualmente constante à temperatura de torrefação desejada por um tempo de torrefação desejado, em que a temperatura de torrefação desejada está na faixa entre 220°C a 600°C. Zona de secagem:[0011] A specific region of a compartment in a roasting arrangement, located downstream of a heating zone, in relation to a biomass inlet of a roasting arrangement, which comprises means to specifically regulate the temperature in said specific region and where the temperature of a previously heated biomass is kept virtually constant at the desired roasting temperature for a desired roasting time, where the desired roasting temperature is in the range of 220 ° C to 600 ° C. Drying zone:
[0012] Uma região específica de um compartimento em um arranjo de torrefação, localizada a montante de uma zona de aquecimento, em relação a uma entrada de biomassa de um arranjo de torrefação, que compreende meios para regular a temperatura na referida região específica e em que a biomassa é seca até um teor de água inferior a 10 % antes do aquecimento. Zona de resfriamento:[0012] A specific region of a compartment in a roasting arrangement, located upstream of a heating zone, in relation to a biomass entrance of a roasting arrangement, which comprises means to regulate the temperature in that specific region and in that the biomass is dried to a water content of less than 10% before heating. Cooling zone:
[0013] Uma região específica de um arranjo de torrefação, localizada a jusante de uma zona de torrefação, em relação a uma entrada de biomassa de um arranjo de torrefação, que compreende meios para regular a temperatura na referida região específica e em que a biomassa é arrefecida a uma temperatura abaixo de 220°C, de preferência abaixo de 100°C. Zona de conexão:[0013] A specific region of a roasting arrangement, located downstream of a roasting area, in relation to a biomass inlet of a roasting arrangement, comprising means to regulate the temperature in that specific region and in which the biomass it is cooled to a temperature below 220 ° C, preferably below 100 ° C. Connection zone:
[0014] Uma região específica de um arranjo de torrefação localizada imediatamente a montante de uma zona de aquecimento e imediatamente a jusante de uma zona de torrefação em relação a uma entrada de biomassa do referido arranjo de torrefação. Tempo de Torrefação:[0014] A specific region of a roasting arrangement located immediately upstream of a heating zone and immediately downstream of a roasting area in relation to a biomass inlet of the said roasting arrangement. Roasting Time:
[0015] O tempo que a temperatura do material é mantida virtualmente constante à temperatura de torrefação. Rosca de Transporte:[0015] The time that the material temperature is kept virtually constant at the roasting temperature. Conveyor Thread:
[0016] Quaisquer tipos de dispositivos de transporte de material helicoidal, incluindo dispositivos de transporte helicoidal descontínuos. O dispositivo helicoidal de transporte pode ser fixado a um eixo central ou ao invólucro interior de um compartimento, tal como um cilindro, em torno da rosca de transporte.[0016] Any types of conveying devices for helical material, including discontinuous helical conveying devices. The helical transport device can be attached to a central axis or to the inner housing of a compartment, such as a cylinder, around the transport thread.
[0017] Num aspecto, a invenção refere-se a um método de torrefação de uma biomassa seca e aquecida, compreendendo o passo de arrefecimento da reação de torrefação, de modo a neutralizar pelo menos parcialmente um aumento de temperatura derivado das reações de torrefação exotérmicas. De preferência, a temperatura na zona de torrefação é controlada utilizando meios de arrefecimento e, opcionalmente também, meios de aquecimento. Os meios de arrefecimento podem ser facilmente sujeitos a incrustações, uma vez que gases liberados pelo material de biomassa na zona de torrefação irão condensar nos ditos meios de arrefecimento. Portanto, numa preferida forma de realização da invenção, os meios de arrefecimento e de aquecimento são permutáveis. Assim sendo, meios de aquecimento/arrefecimento que se tornam contaminados durante o arrefecimento podem ser limpos através do aquecimento do referido meio de aquecimento/arrefecimento que conduz à evaporação dos referidos gases condensados.[0017] In one aspect, the invention relates to a method of roasting a dry and heated biomass, comprising the cooling step of the roasting reaction, in order to at least partially neutralize a temperature rise resulting from exothermic roasting reactions . Preferably, the temperature in the roasting zone is controlled using cooling means and, optionally, also heating means. The cooling means can be easily subject to scale, since gases released by the biomass material in the roasting zone will condense in said cooling means. Therefore, in a preferred embodiment of the invention, the cooling and heating means are interchangeable. Accordingly, heating / cooling means that become contaminated during cooling can be cleaned by heating said heating / cooling medium which leads to the evaporation of said condensed gases.
Numa forma de realização adicional, os referidos meios de arrefecimento e aquecimento são representados pelos trocadores de calor.In a further embodiment, said cooling and heating means are represented by the heat exchangers.
[0018] Numa outra forma de realização, a biomassa é aquecida em uma zona de aquecimento e em seguida torrificada numa zona de torrefação e, de preferência, o tempo de residência na zona de torrefação é controlado separadamente do tempo de residência na zona de aquecimento.[0018] In another embodiment, the biomass is heated in a heating zone and then roasted in a roasting zone and, preferably, the residence time in the roasting zone is controlled separately from the residence time in the heating zone .
[0019] Arrefecimento da reação de torrefação permite o controle preciso da temperatura de torrefação, que facilita o controle preciso da qualidade e propriedades do material torrificado. Portanto, numa forma de realização preferida da invenção, a temperatura do material de biomassa durante a etapa de torrefação deve ser mantida praticamente constante, uma vez que a temperatura máxima e a temperatura mínima da biomassa, em uma zona de torrefação, desviam com, no máximo, 50°C, de preferência com, no máximo, 40°C, de preferência com, no máximo, 30°C, de preferência com, no máximo, 20°C, de preferência com, no máximo, 10°C, de preferência com, no máximo, 5°C e mais preferencialmente a um máximo de 2°C. Numa outra forma de realização, antes de um material seco e aquecido alcançar uma temperatura de torrefação desejada, um aquecimento adicional pode ocorrer na zona de torrefação. Antes deste curto aquecimento adicional, a temperatura pode ser superior a 50°C abaixo da temperatura de torrefação desejada, por exemplo, 60°C ou 65°C ou 70°C ou 75°C ou mesmo 80°C abaixo da temperatura de torrefação desejada.[0019] Cooling of the roasting reaction allows precise control of the roasting temperature, which facilitates the precise control of the quality and properties of the roasted material. Therefore, in a preferred embodiment of the invention, the temperature of the biomass material during the roasting step must be kept practically constant, since the maximum temperature and the minimum temperature of the biomass, in a roasting zone, deviate with, in the maximum 50 ° C, preferably with a maximum of 40 ° C, preferably with a maximum of 30 ° C, preferably with a maximum of 20 ° C, preferably with a maximum of 10 ° C, preferably at a maximum of 5 ° C and more preferably at a maximum of 2 ° C. In another embodiment, before a dry and heated material reaches a desired roasting temperature, additional heating can take place in the roasting area. Before this additional short heat, the temperature can be above 50 ° C below the desired roasting temperature, for example, 60 ° C or 65 ° C or 70 ° C or 75 ° C or even 80 ° C below the roasting temperature desired.
[0020] Numa forma de realização preferida, o tempo de residência na zona de aquecimento é controlado através do controle da velocidade de rotação de uma rosca de transporte da zona de aquecimento e numa outra forma de realização preferida, o tempo de residência na zona de torrefação é controlado através do controle da velocidade de rotação de uma rosca de transporte da zona de torrefação.[0020] In a preferred embodiment, the residence time in the heating zone is controlled by controlling the rotation speed of a transport screw in the heating zone and in another preferred embodiment, the residence time in the heating zone. Roasting is controlled by controlling the rotation speed of a transport thread in the roasting zone.
[0021] De acordo com outra forma de realização da invenção, a temperatura da biomassa entrando em uma primeira zona de aquecimento é entre 90°C e 130°C. De acordo com outra forma de realização da invenção, a temperatura da biomassa deixando uma zona de aquecimento se desvia da temperatura de torrefação, a um máximo de 80°C, tal como 75°C, tal como 70°C, tal como 60°C, tal como 65°C, tal como 60°C, tal como 55°C, de preferência no máximo 50°C, de preferência com, no máximo, 40°C, de preferência com, no máximo, 30°C, de preferência com, no máximo, 20°C, de preferência com pelo menos 15°C, de preferência com, no máximo, 10°C e mais preferencialmente a um máximo de 5°C.[0021] According to another embodiment of the invention, the temperature of the biomass entering a first heating zone is between 90 ° C and 130 ° C. According to another embodiment of the invention, the temperature of the biomass leaving a heating zone deviates from the roasting temperature, to a maximum of 80 ° C, such as 75 ° C, such as 70 ° C, such as 60 ° C, such as 65 ° C, such as 60 ° C, such as 55 ° C, preferably at most 50 ° C, preferably at most 40 ° C, preferably at most 30 ° C, preferably at a maximum of 20 ° C, preferably at least 15 ° C, preferably at a maximum of 10 ° C and most preferably at a maximum of 5 ° C.
[0022] A temperatura de torrefação preferida de acordo com a presente invenção está no intervalo entre 220°C a 600°C, tal como 220-500°C, tal como 220-450°C, tal como 220-400°C, tal como 230-600°C, tal como 230-500°C, tal como 230-450°C, tal como 230-400°C, preferencialmente 240-500°C, preferencialmente 240-400°C, preferencialmente 240-350°C, mais preferencialmente 270-350°C.[0022] The preferred roasting temperature according to the present invention is in the range of 220 ° C to 600 ° C, such as 220-500 ° C, such as 220-450 ° C, such as 220-400 ° C, such as 230-600 ° C, such as 230-500 ° C, such as 230-450 ° C, such as 230-400 ° C, preferably 240-500 ° C, preferably 240-400 ° C, preferably 240-350 ° C, more preferably 270-350 ° C.
[0023] O tempo de torrefação preferido de acordo com a presente invenção está no intervalo entre 1 e 60 minutos, de preferência entre 1 e 30 minutos, de preferência 2-25 minutos e mais preferencialmente de 2-20 minutos. O tempo de torrefação, normalmente, refere-se ao tempo de permanência da biomassa seca e aquecida numa zona de torrefação. De acordo com uma forma de realização, o arrefecimento é realizado durante a segunda metade do tempo de torrefação ou na metade a jusante da zona de torrefação. Tal forma de realização pode ser preferível uma vez que o calor das reações exotérmicas pode acumular-se sobre a reação de torrefação levando a uma maior necessidade de arrefecimento durante o estágio posterior da reação de torrefação.[0023] The preferred roasting time according to the present invention is in the range between 1 and 60 minutes, preferably between 1 and 30 minutes, preferably 2-25 minutes and more preferably 2-20 minutes. The roasting time, usually, refers to the time the dry and heated biomass remains in a roasting area. According to one embodiment, cooling is carried out during the second half of the roasting time or in the downstream half of the roasting zone. Such an embodiment may be preferable since the heat from the exothermic reactions can build up on the roasting reaction leading to an increased need for cooling during the later stage of the roasting reaction.
[0024] Numa outra forma de realização da invenção, o material é seco numa zona de secagem antes de o material entrar na zona de aquecimento e de preferência o teor de água na biomassa é inferior a 10%, de preferência inferior a 7%, de preferência inferior a 5%, de preferência inferior a 4%, de preferência inferior a 3%, de preferência inferior a 2%, mais preferencialmente inferior a 1%, quando a biomassa entra na zona de aquecimento. Numa outra forma de realização, o material torrificado é arrefecido numa zona de arrefecimento após o material ter sido torrificado na zona de torrefação. De acordo com outra forma de realização, o material é aquecido na zona de aquecimento, utilizando os meios de aquecimento na zona de aquecimento, e a temperatura na zona de torrefação é regulada utilizando o calor gerado a partir da energia exotérmica gerada pela biomassa durante o processo de torrefação e arrefecimento fornecido a partir dos meios de arrefecimento na zona de torrefação. Aquecimento externo pode também ser fornecido na zona de torrefação para controlar a temperatura de torrefação através do meio de aquecimento na zona de torrefação. De acordo com outra forma de realização, aquecimento externo não é usado na zona de torrefação. De acordo com uma forma de realização preferida, a biomassa é representada pela biomassa lignocelulósica.[0024] In another embodiment of the invention, the material is dried in a drying zone before the material enters the heating zone and preferably the water content in the biomass is less than 10%, preferably less than 7%, preferably less than 5%, preferably less than 4%, preferably less than 3%, preferably less than 2%, more preferably less than 1%, when the biomass enters the heating zone. In another embodiment, the roasted material is cooled in a cooling zone after the material has been roasted in the roasting zone. According to another embodiment, the material is heated in the heating zone, using the heating means in the heating zone, and the temperature in the roasting zone is regulated using the heat generated from the exothermic energy generated by the biomass during the roasting and cooling process provided from the cooling means in the roasting zone. External heating can also be provided in the roasting zone to control the roasting temperature through the heating medium in the roasting zone. According to another embodiment, external heating is not used in the roasting zone. According to a preferred embodiment, biomass is represented by lignocellulosic biomass.
[0025] Outro aspecto da invenção refere-se a um arranjo de torrefação compreendendo pelo menos uma zona de torrefação, em que a zona de torrefação compreende meios para arrefecimento e, opcionalmente, também meios de aquecimento e em que os meios de arrefecimento estão ligados a uma fonte de arrefecimento. Referida fonte de arrefecimento pode ser qualquer recipiente ou arranjo contendo um meio de arrefecimento ou um refrigerante. Os meios de arrefecimento podem estar na fase líquida ou fase gasosa. Numa forma de realização, o meio de arrefecimento é um líquido tal como água ou óleo térmico e em outra forma de realização o meio de arrefecimento é um gás ou uma mistura de um gás, tal como ar ou gases de combustão a frio. Numa forma de realização os gases de combustão a frio são retirados de uma caldeira em conexão com o arranjo de torrefação. Numa outra forma de realização os gases de combustão a frio são retirados da zona de secagem no arranjo de torrefação. Numa forma de realização preferida do invento, os meios para o arrefecimento e aquecimento são permutáveis e de preferência os referidos meios para aquecimento e/ou arrefecimento estão representados por trocadores de calor. Em uma outra forma de realização o arranjo de torrefação compreende ainda, pelo menos, uma zona de aquecimento, em que as referidas zonas de aquecimento compreendem meios para aquecer, e em que o arranjo de torrefação compreende arranjos de transporte de material tais como um tempo de residência do material nas zonas de torrefação que pode ser controlado separadamente do tempo de residência na(s) zona(s) de aquecimento.[0025] Another aspect of the invention relates to a roasting arrangement comprising at least one roasting zone, in which the roasting zone comprises means for cooling and, optionally, also heating means and in which the cooling means are connected to a cooling source. Said cooling source can be any container or arrangement containing a cooling medium or a refrigerant. The cooling means can be in the liquid or gas phase. In one embodiment, the cooling medium is a liquid such as water or thermal oil and in another embodiment the cooling medium is a gas or a mixture of a gas, such as air or cold combustion gases. In one embodiment, the cold combustion gases are removed from a boiler in connection with the roasting arrangement. In another embodiment, the cold combustion gases are removed from the drying zone in the roasting arrangement. In a preferred embodiment of the invention, the means for cooling and heating are interchangeable and preferably said means for heating and / or cooling are represented by heat exchangers. In another embodiment the roasting arrangement further comprises at least one heating zone, wherein said heating zones comprise means for heating, and in which the roasting arrangement comprises arrangements for transporting material such as a time residence time of the material in the roasting zones that can be controlled separately from the residence time in the heating zone (s).
Numa forma de realização preferida, o arranjo de torrefação compreende de pelo menos dois compartimentos em que o transporte de material em, pelo menos, um dos compartimentos pode ser controlado separadamente do material de transporte nos outros compartimentos e no qual a(s) zona(s) de torrefação estão localizadas num compartimento diferente da(s) zona(s) de aquecimento.In a preferred embodiment, the roasting arrangement comprises at least two compartments in which the transport of material in at least one of the compartments can be controlled separately from the transport material in the other compartments and in which the zone (s) ( Roasting s are located in a compartment other than the heating zone (s).
Pelo menos um, de preferência, pelo menos dois, dos compartimentos podem ser representados por cilindros rotativos nos quais roscas podem ser fixadas de tal modo que o material seja transportado nelas quando o tambor roda.At least one, preferably at least two, of the compartments can be represented by rotating cylinders in which threads can be fixed in such a way that the material is transported in them when the drum rotates.
Numa outra forma de realização, o tempo de residência na zona de aquecimento pode ser controlado pela velocidade de rotação de um primeiro tambor rotativo e o tempo de residência na(s) zona(s) de torrefação é independente da velocidade de rotação do referido primeiro tambor rotativo.In another embodiment, the residence time in the heating zone can be controlled by the rotation speed of a first rotating drum and the residence time in the roasting zone (s) is independent of the rotation speed of said first rotating drum.
De preferência, o tempo de residência na zona de torrefação é controlado pela velocidade de rotação de um segundo tambor rotativo em que o tempo de residência na(s) zona(s) de aquecimento é independente da velocidade de rotação do referido segundo tambor rotativo.Preferably, the residence time in the roasting zone is controlled by the rotation speed of a second rotating drum in which the residence time in the heating zone (s) is independent of the rotation speed of said second rotating drum.
Numa forma de realização adicional, pelo menos, os dois compartimentos estão ligados a uma zona de conexão.In a further embodiment, at least the two compartments are connected to a connection zone.
O transporte do material na dita zona de conexão pode ser mediado por gravidade ou por medidas mecânicas e o transporte de material na zona de conexão é, de preferência independente do transporte de material na zona de torrefação.The transport of material in said connection zone can be mediated by gravity or by mechanical measures and the transport of material in the connection zone is preferably independent of the transport of material in the roasting zone.
De preferência, a zona de conexão compreende meios para medir a temperatura da superfície do material do material na zona de conexão, a temperatura do gás, a concentração de oxigênio, a pressão, a composição de gás ou de parâmetros do produto.Preferably, the connection zone comprises means for measuring the surface temperature of the material of the material in the connection zone, the temperature of the gas, the concentration of oxygen, the pressure, the composition of gas or the parameters of the product.
Em outra forma de realização, pelo menos, um dos arranjos de transporte de material no arranjo de torrefação é representado por uma rosca helicoidal ou um transportador de voo e em que a rosca helicoidal, preferencialmente, pode ser representada por uma rosca helicoidal do voo ou uma rosca helicoidal soldada no tubo central ou um alimentador de rosca helicoidal.In another embodiment, at least one of the material transport arrangements in the roasting arrangement is represented by a helical thread or a flight conveyor and wherein the helical thread, preferably, can be represented by a helical flight thread or a helical thread welded to the center tube or a helical thread feeder.
Em outra forma de realização, o arranjo de torrefação compreende ainda pelo menos uma zona de secagem.In another embodiment, the roasting arrangement further comprises at least one drying zone.
A referida zona de secagem é de preferência localizada em um compartimento diferente da zona de torrefação e o transporte de material na zona de secagem é, de preferência independente do transporte de material na zona de torrefação.Said drying zone is preferably located in a different compartment from the roasting zone and the transport of material in the drying zone is preferably independent of the transport of material in the roasting zone.
O arranjo de transporte de material na zona de secagem pode, por exemplo, ser representado através de uma rosca helicoidal ou um transportador de voo e em que a rosca helicoidal, preferencialmente, pode ser representada por uma rosca helicoidal de voo ou uma rosca helicoidal soldada no tubo central ou um alimentador de rosca helicoidal.The material transport arrangement in the drying zone can, for example, be represented by a helical thread or a flight conveyor and the helical thread, preferably, can be represented by a flight helical thread or a welded helical thread in the central tube or a helical screw feeder.
Numa outra forma de realização do arranjo de transporte de material na zona de secagem e a zona de aquecimento, é representado por uma rosca de transporte comum.In another embodiment of the material transport arrangement in the drying zone and the heating zone, it is represented by a common transport screw.
Em uma forma de realização diferente, o material de transporte na zona de secagem é separado do material de transporte na zona de aquecimento.In a different embodiment, the transport material in the drying zone is separated from the transport material in the heating zone.
O arranjo de torrefação pode ainda compreender pelo menos uma zona de arrefecimento e a referida zona de arrefecimento pode, de preferência compreender pelo menos uma rosca refrigeradora.The roasting arrangement may further comprise at least one cooling zone and said cooling zone may preferably comprise at least one cooling thread.
Note que o arrefecimento da zona de arrefecimento é diferente do arrefecimento da zona de torrefação.Note that cooling the cooling zone is different from cooling the roasting zone.
[0026] Descrição detalhada das formas de realização exemplares[0026] Detailed description of the exemplary embodiments
[0027] A Figura 1 mostra um arranjo de torrefação com uma entrada de biomassa (1) em que a biomassa é introduzida no arranjo de torrefação por meio de uma rosca de alimentação (2). A biomassa é seca numa zona de secagem (3) em que o calor é fornecido para a zona de secagem (3) por meio de um meio de aquecimento (por exemplo, os gases quentes), através de uma entrada de meio de secagem de zona de aquecimento (4) e em que os meios de aquecimento deixam a zona de secagem através da saída de meios de aquecimento da zona de secagem (5). Biomassa seca é transportada através da zona de secagem (3), a uma velocidade regulada pela velocidade de alimentação na entrada da biomassa (1) e entra na zona de aquecimento (6), onde a temperatura da biomassa é elevada a uma temperatura perto da temperatura de torrefação desejada. O calor é fornecido à zona de aquecimento (6) por meio de um meio de aquecimento através de uma entrada de meios de aquecimento da zona de aquecimento (7), que sai da zona de aquecimento através de uma saída de meios de aquecimento da zona de aquecimento (8). O material aquecido entra numa primeira zona de torrefação (9) na qual a temperatura pode ser controlada através da introdução de meios de aquecimento e/ou meios de arrefecimento na primeira entrada de meios aquecimento/arrefecimento da zona de torrefação (10) onde o referido meio de aquecimento/arrefecimento sai da primeira zona de torrefação região através da saída de meios de aquecimento/arrefecimento da zona de torrefação (11). A biomassa depois entra numa segunda zona de torrefação (12) em que a temperatura pode ser controlada através de meios especiais para o arrefecimento (18), em que os meios para arrefecimento (18) são ligados a uma fonte de arrefecimento. Meios de arrefecimento podem ser fornecidos à segunda zona de torrefação através da entrada dos meios de arrefecimento da zona de torrefação (13) e referidos meios de arrefecimento saem da zona de torrefação através de uma saída de meios de arrefecimento da zona de torrefação (14). A entrada do meio de refrigeração (13) está ligada a uma fonte de arrefecimento. O transporte de material na zona de aquecimento (6) e zonas de torrefação (9, 12) é acionado por uma rosca de transporte comum, que está ligada a um tambor envolvendo a zona de aquecimento (6) e zonas de torrefação (9, 12). O referido tambor pode ser ligado a uma linha (15). Gases de torrefação da zona de secagem (3), zona de aquecimento (6) e zonas de torrefação (9, 12) são recolhidos da saída de gás de torrefação (16) para combustão ou processamento. Biomassa torrificada sai do arranjo de torrefação através de uma saída de biomassa torrificada (17) e é, de preferência, subsequentemente arrefecida a uma temperatura abaixo de 100°C.[0027] Figure 1 shows a roasting arrangement with a biomass inlet (1) in which the biomass is introduced into the roasting arrangement by means of a feed thread (2). The biomass is dried in a drying zone (3) where heat is supplied to the drying zone (3) by means of a heating medium (for example, hot gases), through an inlet of drying medium of heating zone (4) and in which the heating means leave the drying zone through the exit of heating means from the drying zone (5). Dry biomass is transported through the drying zone (3), at a speed regulated by the feed speed at the biomass inlet (1) and enters the heating zone (6), where the temperature of the biomass is raised to a temperature close to desired roasting temperature. Heat is supplied to the heating zone (6) by means of a heating medium through an inlet of heating means in the heating zone (7), which leaves the heating zone through an outlet of heating means in the zone heating element (8). The heated material enters a first roasting zone (9) in which the temperature can be controlled by introducing heating and / or cooling means at the first heating / cooling means inlet of the roasting zone (10) where said heating / cooling means exits the first roasting zone region through the heating / cooling means leaving the roasting zone (11). The biomass then enters a second roasting zone (12) in which the temperature can be controlled by special means for cooling (18), in which the means for cooling (18) are connected to a cooling source. Cooling means can be supplied to the second roasting zone through the entrance of the cooling means of the roasting zone (13) and said cooling means leave the roasting zone through an outlet of cooling means from the roasting zone (14) . The cooling medium inlet (13) is connected to a cooling source. The transport of material in the heating zone (6) and roasting zones (9, 12) is driven by a common transport thread, which is connected to a drum surrounding the heating zone (6) and roasting zones (9, 12). Said drum can be connected to a line (15). Roasting gases from the drying zone (3), heating zone (6) and roasting zones (9, 12) are collected from the roasting gas outlet (16) for combustion or processing. Roasted biomass leaves the roasting arrangement via a roasted biomass outlet (17) and is preferably subsequently cooled to a temperature below 100 ° C.
[0028] A Figura 2 mostra as temperaturas típicas da biomassa nas diferentes zonas do arranjo de torrefação divulgado na figura 1: Zona 1 representa a zona de secagem (3), zona 2 representa a zona de aquecimento (6), zona 3 representa a primeira zona de torrefação (9) e zona 4 representa a segunda zona de torrefação (12). Na zona de secagem (3), a biomassa é seca, tipicamente até um teor de água de 2-10% (p/p), e a temperatura é elevada a cerca de[0028] Figure 2 shows the typical biomass temperatures in the different zones of the roasting arrangement disclosed in figure 1: Zone 1 represents the drying zone (3), zone 2 represents the heating zone (6), zone 3 represents the first roasting zone (9) and zone 4 represents the second roasting zone (12). In the drying zone (3), the biomass is dried, typically to a water content of 2-10% (w / w), and the temperature is raised to about
100°C. Na zona de aquecimento (6), o material é pós-seco para cerca de 0% de humidade (p/p), e a temperatura do material é elevada para perto da temperatura de torrefação desejada, que, neste exemplo, é de 350°C. Nas zonas de torrefação, a temperatura é mantida virtualmente constante à temperatura de torrefação desejada para um intervalo de tempo correspondente ao tempo de torrefação desejado. Arrefecimento da reação de torrefação nas zonas de torrefação neutraliza o aumento da temperatura derivado das reações de torrefação exotérmicas e, assim, facilita a temperatura constante nas zonas de torrefação. Na figura 1, a segunda zona de torrefação tem meios especiais para o arrefecimento da reação de torrefação (18), mas a reação de torrefação pode também ser arrefecida utilizando meios de arrefecimento, os quais são introduzidos nas zonas de torrefação através da entrada dos meios de arrefecimento da zona de torrefação (11, 13). Subsequentemente, a temperatura é reduzida abaixo de 100°C, numa zona de arrefecimento.100 ° C. In the heating zone (6), the material is post-dried to about 0% humidity (w / w), and the material temperature is raised to close to the desired roasting temperature, which in this example is 350 ° C. In roasting zones, the temperature is kept virtually constant at the desired roasting temperature for an interval corresponding to the desired roasting time. Cooling the roasting reaction in the roasting zones neutralizes the temperature rise due to the exothermic roasting reactions and thus facilitates the constant temperature in the roasting zones. In figure 1, the second roasting zone has special means for cooling the roasting reaction (18), but the roasting reaction can also be cooled using cooling means, which are introduced into the roasting zones through the entrance of the means cooling zone (11, 13). Subsequently, the temperature is reduced below 100 ° C, in a cooling zone.
[0029] A Figura 3 mostra os tempos e as temperaturas típicas da biomassa nas diferentes zonas do arranjo de torrefação divulgado na figura 1. No presente exemplo, a temperatura de torrefação é de 350°C e o tempo de torrefação é de 20 minutos. Referências[0029] Figure 3 shows the typical biomass times and temperatures in the different zones of the roasting arrangement disclosed in figure 1. In the present example, the roasting temperature is 350 ° C and the roasting time is 20 minutes. References
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