BR112014016143B1 - gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente e método de produção de gás de síntese - Google Patents

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Abstract

d e c l a r a ç ã o declaramos que o presente depósito está sendo efetuado sem resumo e que a mesmo será juntada dentro do prazo legal para complementação do pedido de patente. porto alegre/rs, 26 de junho de 2014. leão propriedade intelectual

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO
GASEIFICADOR DE PLASMA DE MICRO-ONDAS AQUECIDO EXTERNAMENTE E MÉTODO DE PRODUÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE
CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A invenção se refere à gaseificação de biomassa e resíduos sólidos, e mais particularmente a um gaseificador e método para gaseificar biomassa e resíduos sólidos para sintetizar gás de síntese de alta qualidade na presença de energia térmica externa e plasma de micro-ondas.
HISTÓRICO DA INVENÇÃO [0002] Como as fontes de energia primária convencional como combustíveis fósseis estão diminuindo rapidamente, os seres humanos têm dado atenção crescente aos combustíveis de baixa caloria, como combustíveis de biomassa, carvão, resíduos sólidos urbanos, etc., especialmente combustível de biomassa, que inclui principalmente matérias orgânicas produzidas através DE fotossíntese. Assim, o combustível de biomassa é originado a partir de energia solar, que é renovável e tem uma fonte rica e ampla.
[0003] Atualmente, em muitas formas para a conversão e aplicação de energia de biomassa, o uso de biomassa para sintetizar gás de síntese é um dos modos mais eficientes. Como obter eficientemente gás de síntese de alta qualidade tem sido sempre um problema complexo na indústria.
[0004] A gaseificação de biomassa em leito fixo convencional tem características de uma estrutura simples, de operação flexível, longo tempo de retenção de materiais sólidos no leito fixo, e alta eficiência de craqueamento. O combustível de biomassa no leito fixo requer apenas moagem primária para ter tamanhos uniformes de partículas. Entretanto, a temperatura de gaseificação é baixa e não uniforme, o teor de alcatrão é elevado, os componentes ativos no gás de síntese são poucos e a eficiência de gaseificação é baixa, isto tudo limita consideravelmente a gaseificação da biomassa.
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2/12
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0005] Em vista dos problemas acima descritos, é um objetivo da invenção fornecer um gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente e um método que usa o mesmo para a gaseificação de biomassa e resíduos sólidos para sintetizar gás de síntese de alta qualidade.
[0006] Para obter o objetivo acima, são adotados os seguintes esquemas técnicos.
[0007] Um gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente compreende um corpo de forno verticalmente disposto, um alimentador disposto numa parte média do corpo do forno e se comunicando com o corpo do forno, uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas, um aquecedor externo configurado para fornecer energia térmica externa para o gaseificador, e uma unidade de monitoramento. O corpo do forno compreende um bico superior para a pulverização de vapor, um bico inferior para pulverizar CO2/vapor, uma saída do gás de síntese disposta num topo do corpo do forno. O bico superior para pulverização de vapor é disposto numa zona livre do corpo do forno, e o bico inferior de pulverização de CO2/ vapor é disposto numa zona de leito do corpo do forno; a unidade de monitoramento é disposta próximo à saída de gás de síntese; uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas são dispostas acima do bico superior na zona livre do gaseificador; cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas compreende três ou quatro entradas de gás de trabalho, e o fluxo de plasma é pulverizado para o interior da zona livre do gaseificador horizontalmente/tangencialmente; o aquecedor externo é integrado ao corpo do forno ou é separado do corpo do forno; e o aquecedor externo compreende uma saída de escória para a descarga de escórias.
[0008] Uma saída de material circulante é disposta num fundo do corpo do forno e uma entrada de material circulante é disposta num topo do corpo do forno, ou a saída de material circulante e a entrada de material circulante são ambas dispostas numa parede lateral do corpo do forno; o aquecedor externo é separado do corpo do forno e está disposto entre a saída do material circulante e a entrada de material circulante de modo que os materiais circulantes podem fluir para fora da saída do material
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3/12 circulante, ser aquecidos pelo aquecedor externo, e fluir de retorno para o corpo do forno a partir da entrada de material circulante; uma fonte de calor do aquecedor externo é micro-ondas, plasma de micro-ondas de alta temperatura, laser, arco de plasma, energia solar, ou uma combinação dos mesmos.
[0009] O aquecedor externo é integrado com o corpo do forno, e uma fonte de calor do aquecedor externo é micro-ondas, plasma de micro-ondas de alta temperatura, laser, arco de plasma, energia solar, material de leito a alta temperatura a partir de uma caldeira de leito fluidizado circulante (CFB), ou uma combinação dos mesmos.
[0010] Os geradores de plasma de micro-ondas têm uma grande folga de eletrodo, forte atividade de plasma, e grande variação de volume; uma fonte de energia de micro-ondas dos geradores de plasma de micro-ondas numa frequência básica de 2,45 GHz e uma energia de um único gerador de plasma de micro-ondas de aproximadamente 200 kW.
[0011] A invenção também fornece um método de gaseificação utilizando o gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente. O método emprega energia térmica externa para gaseificar o combustível de biomassa, e o método compreende as seguintes etapas:
[0012] 1) introduzir matéria-prima compreendendo combustível de biomassa e resíduo sólido para o interior do corpo do forno, através do alimentador, gaseificando a pirolisando a matéria-prima na zona de alta temperatura do leito para gerar gás de síntese compreendendo uma grande quantidade de CO, H2, CO2 e uma pequena quantidade de CH4 e alcatrão;
[0013] 2) permitir ao gás de síntese fluir na direção ascendente até a zona livre do gaseificador, iniciando os geradores de plasma de micro-ondas para gerar oxidantes de plasma de alta temperatura com alta atividade, alto grau de ionização, em estado de não equilíbrio, de modo que o gás de síntese se mistura com os oxidantes de plasma e craqueados, pulverizando vapor para o interior do corpo do forno a partir do bico superior, controlando a zona livre a uma temperatura de entre 1000 e 1200° C,
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4/12 regulando uma taxa de fluxo dos oxidantes de plasma para assegurar que o gás de síntese permaneça numa atmosfera de plasma por entre 3 e 10 segundos, agitando o fluxo de plasma para intensificar a transferência de calor e massa, e coletar um produto de gás de síntese final a partir da saída de gás de síntese disposta no topo do corpo do forno;
[0014] 3) pulverizar CO2 de alta temperatura e vapor a partir do bico inferior para o interior do corpo do forno de modo que os resíduos de carbono na zona de leito são reduzidos ou oxidados;
[0015] 4) transportar resíduos de carbono não reagidos e materiais de leito até o aquecedor externo através da saída de material circulante, onde os resíduos de carbono são queimados, os materiais do leito são aquecidos e separados das escórias, e descarregar as escórias a partir da saída da escória;
[0016] 5) retornar os materiais de leito separado para o corpo do forno a partir da entrada de material circulante, os materiais de leito fluindo na direção descendente, trocando calor com o gás de síntese de alta temperatura fluindo inversamente, e liberando energia térmica na zona do leito para ter uma temperatura de entre 600 e 1000° C; transportar os materiais de leito resfriados até o aquecedor externo para aquecer novamente, e repetir a circulação por várias vezes conforme necessário; uma temperatura de saída do material circulante sendo entre 750 e 1200° C, e a temperatura dos materiais de leito aquecido sendo mais alta do que na zona do leito; e [0017] 6) monitorar pela unidade de monitoramento a temperatura e componentes do gás de síntese, regulando a vazão de CO2, a vazão de vapor e a energia de microondas para assegurar a operação de gaseificação.
[0018] Na etapa 2), um tempo de retenção do gás de síntese que permanece na atmosfera de plasma na zona livre situa-se entre 3 e 6 segundos.
[0019] Na etapa 2), um tempo de retenção do gás de síntese que permanece na atmosfera de plasma na zona livre situa-se entre 4 e 6 segundos.
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5/12 [0020] Nas etapas 3) - 5), uma temperatura de reação na zona de leito do gaseificador é controlada entre 600 e 850° C.
[0021] A invenção fornece ainda um método de gaseificação utilizando o gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente.
[0022] O método emprega a energia térmica externa para gaseificar o combustível de biomassa, e o método compreende as seguintes etapas:
[0023] 1) introduzir matéria-prima compreendendo combustível de biomassa e resíduo sólido para o interior do corpo do forno através do alimentador, gaseificando e pirolisando a matéria-prima na zona do leito de alta temperatura para gerar gás de síntese compreendendo uma grande quantidade de CO, H2, CO2 e uma pequena quantidade de CH4 e alcatrão;
[0024] 2) permitir ao gás de síntese fluir na direção ascendente até a zona livre do gaseificador, iniciando os geradores de plasma de micro-ondas para gerar oxidantes de plasma de alta temperatura com alta atividade, alto grau de ionização, em estado de não equilíbrio, de modo que o gás de síntese se mistura com os oxidantes de plasma e craqueados, pulverizando vapor para o interior do corpo do forno a partir do bico superior, controlando a zona livre a uma temperatura de entre 1000 e 1200° C, regulando uma taxa de fluxo dos oxidantes de plasma para assegurar que o gás de síntese permaneça numa atmosfera de plasma por entre 3 e 10 segundos, agitando o fluxo de plasma para intensificar a transferência de calor e massa, e coletar um produto de gás de síntese final a partir da saída de gás de síntese disposta no topo do corpo do forno;
[0025] 3) aquecer o gaseificador pelo aquecedor externo disposto no fundo do gaseificador para manter uma temperatura na zona de leito estando entre 600 e 1000° C, e uma temperatura na zona livre estando entre 750 e 1600° C; e [0026] 4) monitorar pela unidade de monitoramento a temperatura e os componentes do gás de síntese, regulando a taxa de fluxo de CO2, a taxa de fluxo de vapor e a
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6/12 energia de micro-ondas para assegurar a operação da gaseificação, e controlar a temperatura de saída do gás de síntese estando entre 750 e 1200° C.
[0027] As vantagens de acordo com aplicações da invenção encontram-se resumidas a seguir.
[0028] 1. O gaseificador emprega um aquecedor externo para fornecer energia térmica, de modo que a energia química de biomassa pode ser mais utilizada para a produção de componentes ativos, mesmo sem a adição de oxidantes, e a porcentagem do volume dos componentes ativos (CO + H2) no gás de síntese pode exceder 90%.
[0029] 2. O gerador de plasma de micro-ondas disposto na zona livre do gaseificador promove a reação de separação sem equilíbrio do alcatrão, com pouco ou quase nenhum alcatrão sendo produzido, gerando assim uma boa eficiência econômica.
[0030] 3. O gaseificador não apresenta nenhuma exigência específica sobre o tamanho de partícula do combustível de biomassa, e moagem primária pode satisfazer o requisito de tamanho de partícula, e, portanto, os custos de produção são baixos, com boa eficiência econômica.
[0031] 4. A fonte externa de calor pode ser de qualquer tipo de fontes de energia, por exemplo, o calor residual industrial, que contribui para a ampla utilização de fontes de energia.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0032] A invenção é descrita abaixo com referência aos desenhos anexos, em que:
[0033] [0034] A FIGURA 1 mostra um diagrama esquemático do gaseificador de plasma de micro-ondas externamente aquecido e um fluxograma de um método de gaseificação utilizando o mesmo de acordo com uma aplicação da invenção.
[0034] A FIGURA 2 é uma vista em corte tomado pela linha AA da FIGURA 1.
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7/12 [0035] Nos desenhos, os seguintes números de referência são utilizados: 1. Alimentador; 2. Corpo do forno; 3. Gerador de plasma de micro-ondas; 4. Bico inferior; 5. Bico superior; 6. Unidade de Monitoramento; 7. Saída de material circulante; 8. Zona livre do gaseificador; 9. Aquecedor externo; 10. Entrada de material circulante.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS APLICAÇÕES [0036] Exemplo 1 [0037] Um gaseificador de plasma de micro-ondas externamente aquecido, compreende um corpo de forno verticalmente disposto 2, um alimentador 1 que se comunica com o corpo do forno 2, um gerador de plasma de micro-ondas 3, um aquecedor externo 9 configurado para fornecer energia térmica externa para o gaseificador, e uma unidade de monitoramento 6. O corpo 2 do forno compreende um bico superior 5 para a pulverização de vapor, um bico inferior 4 para pulverizar CO2/vapor, uma saída do gás de síntese disposta num topo do corpo do forno. O bico superior 5 para pulverização de vapor é disposto numa zona livre do corpo do forno, e o bico inferior 4 para pulverizar CO2/vapor é disposto numa zona de leito do corpo do forno. A unidade de monitoramento 6 é disposta próximo à saída do gás de síntese. Uma saída do material circulante 7 é disposta num fundo do corpo do forno e uma entrada de material circulante 10 é disposta num topo do corpo do forno. O aquecedor externo 9 é separado do corpo do forno 2 e é disposto entre a saída de material circulante 7 e a entrada de material circulante 10 de modo que os materiais circulantes podem fluir para fora da saída de material circulante 7, serem aquecidos pelo aquecedor externo 9, e fluir de volta para o corpo do forno a partir da entrada de material circulante 10. O aquecedor externo compreende uma saída de escória para a descarga de escórias.
[0038] Opcionalmente, a saída do material circulante 7 e a entrada do material circulante 10 estão ambas dispostas numa parede lateral do corpo do forno 2.
[0039] O alimentador 1 é disposto na parte média do corpo do forno 2. Uma ou duas camadas dos geradores de plasma de micro-ondas 3 são dispostas acima do bico
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8/12 superior na zona livre 8 do gaseificador; cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas compreende 3 ou 4 entradas de gás de trabalho, e o fluxo de plasma é pulverizado na zona livre 8 do gaseificador horizontalmente / tangencialmente. Os geradores de plasma de micro-ondas têm grande folga de eletrodo, forte atividade de plasma, e ampla variação de volume; uma fonte de energia de micro-ondas dos geradores de plasma de micro-ondas tem uma frequência básica de 2,45 GHz e uma energia de um único gerador de plasma de micro-ondas é de aproximadamente 200 kW.
[0040] A fonte de calor do aquecedor externo 9 é de micro-ondas, plasma de microondas de alta temperatura, laser, arco de plasma, energia solar, ou calor residual industrial. O aquecedor externo 9 aquece os materiais do leito para ter alta temperatura de circulação. No aquecedor externo 9, os materiais fixos de carbono podem ser queimados completamente, e os materiais do leito e escórias de biomassa podem ser separados completamente.
[0041] Um método de gaseificação utilizando o gaseificador de plasma de microondas aquecido externamente compreende as seguintes etapas:
[0042] 1) introduzir matéria-prima compreendendo combustível de biomassa e resíduo sólido para o interior do corpo do forno 2 através do alimentador 1, gaseificando e a pirolisando a matéria-prima na zona do leito de alta temperatura para gerar gás de síntese compreendendo uma grande quantidade de CO, H2, CO2 e uma pequena quantidade de CH4 e alcatrão;
[0043] 2) permitir ao gás de síntese fluir na direção ascendente até a zona livre 8 do gaseificador, iniciando os geradores de plasma de micro-ondas para gerar oxidantes de plasma de alta temperatura com alta atividade, alto grau de ionização em estado de não equilíbrio, de modo que o gás de síntese se mistura com os oxidantes de plasma e craqueados, pulverizando vapor para o interior do corpo do forno a partir do bico superior 5, controlando a zona livre a uma temperatura de entre 1000 e 1200° C, regulando uma taxa de fluxo dos oxidantes de plasma para assegurar ao gás de síntese permanecer numa atmosfera de plasma por entre 3 e 10 segundos, agitando o
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9/12 fluxo de plasma intensificando a transferência de calor e de massa, e coletando um produto final de gás de síntese a partir da saída de gás de síntese disposta no topo do corpo do forno, o produto do gás de síntese contendo pouco ou nenhum alcatrão;
[0044] 3) pulverizar CO2 de alta temperatura e vapor a partir do bico inferior 4 para o interior do corpo do forno quando o conteúdo fixo de carbono é alto e a zona de leito tem abundância de calor (isto é, a energia térmica externa fornecida pelo aquecedor externo 9 é suficiente), de modo que os resíduos de carbono na zona de leito são reduzidos ou oxidados para gerar mais CO2 ou H2 no gás de síntese; transportar resíduos de carbono não reagidos e materiais do leito para o aquecedor externo 9 através da saída do material circulante, onde os resíduos de carbono são queimados, os materiais de leito são aquecidos e separados de escórias, e descarregar as escórias de saída de escória; retornar os materiais de leito separados para o corpo do forno a partir da entrada do material circulante, os materiais de leito fluindo para baixo, trocando calor com o gás de síntese de alta temperatura fluindo inversamente de modo que o gás de síntese é aquecido para ter uma temperatura de entre 1000 e 1200° C, e liberando energia térmica na zona do leito para ter uma temperatura de entre 600 e 1000° C; transportar os materiais de leito resfriados para o aquecedor externo 9 para novo aquecimento, e repetir a circulação por diversas vezes conforme necessário; uma temperatura da saída do material circulante 7 sendo entre 750 e 1200° C; e [0045] 4) monitorar pela unidade de monitoramento a temperatura e componentes do gás de síntese, regulando a taxa de fluxo de CO2, a taxa de fluxo de vapor, e energia de micro-ondas para assegurar a operação da gaseificação, e controlar a temperatura da saída do gás de síntese para ser entre 800 e 1200° C.
[0046] Na etapa 2), o tempo de retenção do gás de síntese que permanece na atmosfera de plasma na zona livre é de entre 3 e 6 segundos, particularmente entre 4 e 6 segundos.
[0047] Na etapa 3), a temperatura de reação na zona de leito do gaseificador é controlada entre 600 e 850° C.
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10/12 [0048] Na etapa 3), o gás de trabalho pulverizado é CO2 de alta temperatura ou vapor de alta temperatura, que é determinado pela exigência para os componentes do gás de síntese.
[0049] Os materiais do leito do gaseificador são compostos de materiais resistentes a alta temperatura com intensa capacidade de armazenamento térmico. O combustível de biomassa aquecido pelo aquecedor externo entra no gaseificador e troca calor com o gás de síntese de alta temperatura fluindo inversamente, e então flui para baixo para a zona do leito de alta temperatura onde o combustível de biomassa é aquecido rapidamente. O combustível de biomassa tem alto teor de oxigênio e baixo teor fixo de carbono. Assim, na zona do leito, o combustível de biomassa é pirolisado para gerar matérias voláteis e semi-coque. Para manter a alta temperatura na zona de pirólise, o vapor/CO2 de alta temperatura apropriado é pulverizado para o interior do gaseificador, de modo que as matérias voláteis são craqueadas sob a alta temperatura para gerar uma grande quantidade de componentes ativos (CO + H2) e uma pequena quantidade de vapor de alcatrão que flui para cima, até a zona livre do gaseificador. Os resíduos de carbono não reagidos e os materiais do leito são transportados até o aquecedor externo, onde os resíduos do carbono e os materiais do leito são aquecidos, e os oxidantes são introduzidos para facilitar a combustão completa dos resíduos de carbono na mistura. Os materiais do leito são separados das escórias. Os materiais do leito aquecido são transportados até o corpo do forno a partir do topo ou de seu lado, flui para baixo para trocar calor com o gás de síntese de alta temperatura fluindo inversamente para reduzir a temperatura do gás de síntese e aumentar a temperatura dos materiais do leito. Os materiais do leito de alta temperatura descem até a zona do leito para fornecer energia térmica para o recém-introduzido combustível de biomassa e mantem a temperatura para a reação de craqueamento. Após a troca de calor, os materiais do leito resfriados são transportados até o aquecedor externo para o próximo aquecimento e separação. As etapas acima são repetidas diversas vezes conforme necessário. O fator de circulação dos materiais do leito é determinado pelas características do combustível.
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11/12 [0050] O gás de síntese compreendendo uma pequena quantidade de vapor de alcatrão e cinza volante flui para cima até a zona livre do gaseificador onde o gerador de plasma de micro-ondas é disposto. Na presença do oxidante de plasma com alta atividade, alto grau de ionização em estado de não equilíbrio, o vapor do alcatrão no gás de síntese de alta temperatura é craqueado rapidamente para a remoção completa do alcatrão. O gás de síntese na saída do gás de síntese é resfriado e purificado para obter o nível de uso direto.
[0051] Exemplo 2 [0052] O gaseificador neste exemplo é basicamente o mesmo que no Exemplo 1, exceto que (A) o aquecedor externo 9 não é separado do corpo do forno 2 mas é integrado com o corpo do forno 2, e a saída do material circulante disposta no fundo do corpo do forno e a entrada do material circulante disposta num topo do corpo do forno são removidos. Assim, a fonte de calor externa pode ser introduzida no gaseificador, o processo de circulação de material é omitido, desse modo resultando num sistema simples, de alta operabilidade e alta eficiência.
[0053] (B) Uma fonte de calor do aquecedor externo é micro-ondas, plasma de microondas de alta temperatura, laser, arco de plasma, energia solar, material de leito de alta temperatura de uma caldeira com leito fluidizado circulante (CFB), ou uma combinação dos mesmos.
[0054] Um método de gaseificação utilizando o gaseificador de plasma de microondas aquecido externamente, compreende as seguintes etapas:
[0055] 1) introduzir matéria-prima compreendendo combustível de biomassa e resíduo sólido para o interior do corpo do forno através do alimentador, gaseificando e a pirolisando a matéria-prima na zona do leito de alta temperatura para gerar gás de síntese contendo uma grande quantidade de CO, H2, CO2 e uma pequena quantidade de CH4 e alcatrão;
[0056] 2) permitir ao gás de síntese flui para cima até a zona livre do gaseificador, iniciando os geradores de plasma de micro-ondas para gerar altas oxidantes de
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12/12 plasma de alta temperatura com alta atividade, alto grau de ionização, em estado de não equilíbrio, de modo que o gás de síntese se mistura com os oxidantes de plasma e craqueados, pulverizando vapor para o interior do corpo do forno a partir do bico superior, controlando a zona livre a uma temperatura de entre 1000 e 1200°C, regulando uma taxa de fluxo dos oxidantes de plasma para assegurar que o gás de síntese permaneça numa atmosfera de plasma por entre 3 e 10 segundos, agitando o fluxo de plasma intensificando a transferência de calor e de massa, e coletando um produto de gás de síntese final a partir da saída de gás de síntese disposta no topo do corpo do forno;
[0057] 3) aquecer o gaseificador pelo aquecedor externo disposto no fundo do gaseificador para manter uma temperatura na zona de leito para estar entre 600 e 1000° C, e uma temperatura na zona livre para estar entre 750 e 1600° C; e [0058] 4) monitorar pela unidade de monitoramento a temperatura e os componentes do gás de síntese, regulando a taxa de fluxo de CO2, a taxa de fluxo de vapor e a energia de micro-ondas para assegurar a operação de gaseificação, e controlar a temperatura da saída do gás de síntese para ser entre 750 e 1200° C.
[0059] Para obter as condições ideais de trabalho e satisfazer o requisito de desempenho geral da gaseificação, a chave é controlar a temperatura da zona de leito, para controlar o fornecimento de material do leito, e regular a taxa de fluxo de CO2, a taxa de fluxo do vapor, e a energia de micro-ondas. A unidade de monitoramento disposta próxima à saída do gás de síntese pode monitorar os parâmetros acima em tempo real, desse modo controlando a cadeia do processo de gaseificação e pela automatização completa e mantendo a estabilidade de operação do gaseificador.
[0060] Embora aplicações específicas da invenção tenham sido mostradas e descritas, será óbvio para os especialistas na técnica que alterações e modificações podem ser feitas sem se afastarem da invenção nos seus aspectos mais amplos e, portanto, o objetivo nas reivindicações anexas é cobrir todas essas alterações e modificações que se enquadrem dentro do verdadeiro espírito e escopo da invenção.

Claims (4)

REIVINDICAÇÕES
1) introdução de matéria-prima compreendendo biomassa combustível e resíduos sólidos no corpo de forno (2) através do alimentador (1), a gaseificação e a pirólise da matéria-prima na zona do leito de alta temperatura para produzir gás de síntese compreendendo uma grande quantidade de CO, H2, CO2 e uma pequena quantidade de CH4 e alcatrão;
1) introdução de matéria-prima compreendendo combustível de biomassa e resíduos sólidos no corpo de forno (2) através do alimentador (1), a gaseificação e a pirólise da matéria-prima na zona do leito de alta
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1. GASEIFICADOR DE PLASMA DE MICRO-ONDAS AQUECIDO EXTERNAMENTE que compreende um corpo de fornalha disposto verticalmente, um alimentador (1) disposto numa parte central do corpo de fornalha e que se comunica com o corpo de forno (2), uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas (3), um aquecedor externo (9) configurado para fornecer energia térmica externa para o gaseificador, e uma unidade de monitoramento (6), o corpo de forno (2) compreendendo um bico superior (5) para pulverização de vapor, um bico inferior (4) para pulverização de CO2/vapor, uma saída de gás de síntese disposta numa parte superior do corpo de forno (2) caracterizado pelo bico superior (5) de pulverização de vapor estar disposto numa zona livre do corpo de forno (2), e o bico inferior (4) para pulverização de CO2/vapor estar disposta numa zona de leito do corpo de forno (2); a unidade de monitoramento (6) estar disposta próxima à saída de gás de síntese; uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas (3) estarem dispostas acima do bico superior (5) na zona livre do gaseificador; cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas (3) compreenderem três ou quatro entradas de gás de trabalho, e o fluxo de plasma é pulverizado para a zona livre do gaseificador (8) horizontal/tangencialmente; o aquecedor externo (9) é integrado com o corpo de forno (2) ou é separado do corpo de forno (2); e o aquecedor externo (9) compreender uma saída de escória para a descarga de escórias.
2) permitir que o gás de síntese flua para cima para a zona livre (8) do gaseificador, iniciando-se os geradores de plasma de micro-ondas (3) para gerar oxidantes de plasma de alta temperatura com elevada atividade, elevado grau
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5/5 de ionização em estado de não equilíbrio, de modo que o gás de síntese se mistura com os oxidantes de plasma e se quebra, pulverizando vapor para dentro do corpo de forno (2) a partir do bico superior (5), controlando a zona livre (8) a uma temperatura de entre 1000 e 1200° C, regulando uma taxa de fluxo dos oxidantes de plasma para garantir que o gás de síntese permaneça numa atmosfera de plasma por entre 3 e de 10 segundos, agitando o fluxo de plasma para reforçar a transferência de calor e massa, e recolha de um produto de gás de síntese final, a partir da saída de gás de síntese, disposta na parte superior do corpo de forno (2);
2) permitir que o gás de síntese flua para cima para a zona livre (8) do gaseificador, iniciando-se os geradores de plasma de micro-ondas para gerar oxidantes de plasma de alta temperatura com elevada atividade, elevado grau de ionização em estado de não equilíbrio, de modo que o gás de síntese se mistura com os oxidantes de plasma e se quebra, pulverizando vapor para dentro do corpo de fornalha a partir do bico superior (5), controlando a zona livre (8) a uma temperatura de entre 1000 e 1200° C, regulando uma taxa de fluxo dos oxidantes de plasma para garantir que o gás de síntese permaneça numa atmosfera de plasma por entre 3 e de 10 segundos, agitando o fluxo de plasma para reforçar a transferência de calor e massa, e recolha de um produto de gás de síntese final, a partir da saída de gás de síntese, disposta na parte superior do corpo de forno (2);
2/5 disposto entre a saída de material circulante (7) e a entrada de material circulante (10) de modo que os materiais circulantes podem fluir para fora a partir da saída do material circulante (7), ser aquecida pelo aquecedor externo (9), e fluir de volta para o corpo de forno (2) a partir da entrada de material circulante (10); uma fonte de calor do aquecedor externo (9) ser micro-ondas, plasma de microondas de alta temperatura, laser, arco de plasma, energia solar, ou uma combinação dos mesmos.
2. GASEIFICADOR DE PLASMA DE MICROONDAS AQUECIDO EXTERNAMENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma saída de material circulante (7) ser disposta numa parte inferior do corpo de forno (2) e de uma entrada de material circulante (10) ser disposta numa parte superior do corpo de forno (2), ou a saída de material circulante (7) e a entrada de material circulante (10) são ambas dispostas em uma parede lateral do corpo de forno (2), o aquecedor externo (9) ser separado do corpo de forno (2) e estar
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3) aquecimento do gaseificador pelo aquecedor externo (9) colocado na parte inferior do gaseificador para manter uma temperatura na zona de leito para ser entre 600 e 1000° C, e uma temperatura na zona livre para estar entre 750 e 1600° C; e
3) pulverização de CO2 de alta temperatura e de vapor do bico inferior (4) no corpo de forno (2), de modo que os resíduos de carbono na zona de leito são reduzidos ou oxidados;
4) transporte de resíduos de carbono que não reagiram e materiais de leito para o aquecedor externo (9) através da saída de material circulante (7), em que os resíduos de carbono são queimados, os materiais de leito são aquecidos e separados das escórias, e descarga das escórias a partir da saída de escória;
5) retorno dos materiais de leito separados para o corpo de forno (2) a partir da entrada do material circulante (10), os materiais de leito fluindo para baixo, trocando calor com o gás de síntese a alta temperatura fluindo inversamente, e libertação de energia térmica na zona de leito para ter uma temperatura de entre 600 e 1000° C; transportar os materiais de leito arrefecidos para o aquecedor externo (9) para aquecer de novo, e
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4/5 repetindo a circulação por várias vezes conforme necessário; uma temperatura de saída do material circulante a ser entre 750 e 1200° C, e a temperatura dos materiais de leito aquecidos sendo mais elevados do que na zona do leito; e
6) o monitoramento pela unidade de monitoramento (6) da temperatura e componentes do gás de síntese, regulando a taxa de fluxo de CO2, taxa de fluxo de vapor e energia de micro-ondas para garantir o funcionamento da gaseificação.
6. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de na etapa 2 um tempo de retenção de gás de síntese que fica no ambiente de plasma na zona livre situar-se entre 3 e 6 segundos.
7. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de na etapa 2 um tempo de retenção de gás de síntese que fica no ambiente de plasma na zona livre situar-se entre 4 e 6 segundos.
8. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de uma temperatura de reação na zona de leito do gaseificador ser controlada entre 600 e 850° C.
9. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO utilizando um gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1, 3 e 4, utilizando energia térmica externa para gaseificar a biomassa combustível, caracterizado por compreender as seguintes etapas:
3/5 temperatura para produzir gás de síntese compreendendo uma grande quantidade de CO, H2, CO2 e uma pequena quantidade de CH4 e alcatrão;
3. GASEIFICADOR DE PLASMA DE MICROONDAS AQUECIDO EXTERNAMENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o aquecedor externo (9) ser integrado com o corpo de forno (2), e uma fonte de calor do aquecedor externo (9) ser micro-ondas, plasma de micro-ondas de alta temperatura, laser, arco de plasma, energia solar, material de leito de alta temperatura de uma caldeira de leito fluidizado circulante (CFB), ou uma combinação dos mesmos.
4. GASEIFICADOR DE PLASMA DE MICROONDAS AQUECIDO EXTERNAMENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelos geradores de plasma de micro-ondas (3) terem um grande espaço entre os eletrodos, forte atividade de plasma e ampla gama de volume, uma fonte de energia de micro-ondas dos geradores de plasma de micro-ondas (3) terem uma frequência básica de 2,45 GHz, e uma potência de um único gerador de plasma de micro-ondas (3) estar dentro de 200 kW.
5. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO utilizando um gaseificador de plasma de micro-ondas aquecido externamente conforme o descrito em qualquer uma das reivindicações de 1,2 e 4, caracterizado pelo método utilizando energia térmica externa para gaseificar a biomassa combustível, e compreender as seguintes etapas:
4) monitoramento pela unidade de monitoramento (6) da temperatura e componentes do gás de síntese, regulando a taxa de fluxo de CO2, taxa de fluxo de vapor e energia de micro-ondas para garantir o funcionamento da gaseificação, controlando a temperatura de saída do gás de síntese para ser entre 750 e 1200° C.
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