BR112014016168B1 - gaseificador de leito fixo de biomassa gaseificante de plasma de micro-ondas e seu processo correspondente - 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 LEITO FIXO DE BIOMASSA GASEIFICANTE DE PLASMA DE MICRO-ONDAS E SEU PROCESSO CORRESPONDENTE
CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A invenção está relacionada com a gaseificação da biomassa e resíduos sólidos, e mais particularmente a um gaseificador e um processo para gaseificar a biomassa e os resíduos sólidos para a síntese de gás de síntese de elevada qualidade na presença de plasma de micro-ondas.
HISTÓRICO DA INVENÇÃO [0002] A China é rica em recursos de biomassa, incluindo talos de algodão, palha, galhos e casca de arroz. Como fontes primárias de energia convencionais e os combustíveis fósseis estão diariamente diminuindo, as pessoas dão cada vez mais atenção aos combustíveis de baixo poder calorífico.
[0003] Enquanto isso, com o crescimento da consciência ambiental, maior eficiência e menor contaminação com emprego de alta tecnologia têm sido gradualmente adotadas pela produção industrial.
[0004] Atualmente, a gaseificação de leito fixo tem defeitos, como a baixa temperatura de gaseificação, alto teor de alcatrão e gás de síntese de baixa qualidade. Baixa temperatura de gaseificação resulta em alto teor de alcatrão no gás de síntese. O alcatrão é difícil de remover e facilmente obstrui e corrói as válvulas, tubulações e equipamentos auxiliares. A remoção do alcatrão custa muito. Com o desenvolvimento da tecnologia de micro-ondas, plasma micro-ondas, com suas próprias características de excelência, já amplamente aplicado para deposição química a vapor de baixa temperatura gradualmente (CVD), a preparação rápida de fibras ópticas, gravura de submicron em chips,
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2/9 modificação da superfície de materiais poliméricos, processamento de materiais microeletrônicos, e assim por diante.
[0005] A invenção adota micro-ondas e plasma para gaseificar combustível de biomassa com alta eficiência, que fornece um novo caminho para a síntese de gás de síntese, utilizando combustível de biomassa e resíduos.
RESUMO DA INVENÇÃO [0006] Tendo em conta os problemas acima descritos, é um objetivo de a invenção proporcionar um gaseificador de leito fixo e um método que utiliza o mesmo para a gaseificação da biomassa para sintetizar gás de síntese de elevada qualidade, em particular para sintetizar o gás de síntese compreendendo CO e H2 com características de economia e eficiência elevada.
[0007] Para alcançar o objetivo acima, são adotados os seguintes esquemas técnicos.
[0008] Um gaseificador de leito fixo de biomassa de plasma de micro-ondas, compreende um corpo de fornalha disposto verticalmente, uma unidade de controle e um dispositivo gerador de plasma de micro-ondas. O corpo da fornalha compreende uma entrada de material e de combustível, uma saída de gás de síntese, uma entrada de oxigênio/vapor e uma saída de escória, em que o corpo de fornalha compreende zona de purificação na parte superior do mesmo e uma zona de leito fixo numa parte inferior do mesmo; a saída de escória está disposta numa parte inferior do corpo da fornalha; a unidade de monitoramento está disposta próxima à saída de gás de síntese; e, pelo menos, um dispositivo gerador de plasma de micro-ondas é disposto sobre o corpo da fornalha.
[0009] Preferencialmente, o primeiro dispositivo gerador de plasma de microondas está disposto entre a zona de leito fixo na parte inferior do corpo da
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3/9 fornalha e a entrada de material e de combustível e um segundo dispositivo de geração de plasma de micro-ondas está disposto na zona de purificação na parte superior do corpo da fornalha; o primeiro dispositivo de geração de microondas de plasma compreende duas ou três camadas de geradores de microondas de plasma, o segundo dispositivo gerador de plasma de micro-ondas compreende uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas, e cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas compreende três ou quatro entradas de gás trabalhando distribuídas uniformemente.
[0010] Preferencialmente, o primeiro gerador de plasma de micro-ondas tem grande potência e pequena distância entre os eletrodos, e produzir alta temperatura de plasma; o segundo gerador de plasma de micro-ondas tem grande distância entre os eletrodos, forte atividade plasma, e larga variação de volume.
[0011] Preferencialmente, uma fonte de energia de micro-ondas dos geradores de plasma de micro-ondas tem uma frequência básica de 2,45 GHz e uma potência de um único gerador de plasma de micro-ondas a cerca de 200 kW.
[0012] Preferencialmente, um bocal superior de oxigênio/vapor está disposto na zona de purificação do corpo da fornalha, e um do bocal inferior de oxigênio/vapor está disposto na zona do leito fixo do corpo da fornalha.
[0013] Um processo de gaseificação utilizando o gaseificador compreende:
[0014] 1) fornecer combustível de biomassa e resíduos no corpo da fornalha através de um alimentador, permitir o combustível de biomassa e resíduos serem incinerados e gaseificado na zona de leito fixo para produzir gás de alta temperatura de combustão, permitindo o gás de combustão fluir para cima para troca de calor com combustível de biomassa recém alimentados e os resíduos de uma zona de alimentação do gaseificador, e permitir o gás de combustão reagir com o vapor pulverizado a partir do bocal
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4/9 inferior de oxigênio/vapor e com um oxidante de plasma gerado pelo primeiro gerador de plasma de micro-ondas para se obter gás de síntese, das quais uma equação química sendo: 2C + O2 = 2CO, C + H2O = CO + H2, a uma temperatura de gaseificação sendo entre 700 e 1600°C;
[0015] dentro da variação de temperatura, o oxidante de plasma agitado por micro-ondas tem elevado grau de ionização, grau elevado de dispersão e forte atividade de oxidação e reatividade química. Assim, mesmo em um ambiente de temperatura relativamente baixa, a reação química pode prosseguir. A eficiência de conversão do combustível de biomassa é elevada, e o gás de síntese compreendendo CO e H2 tem alta qualidade e pouco alcatrão;
[0016] 2) permitir que o gás de síntese flua para cima, para a zona de purificação, onde os alcatrões no gás de síntese são quebrados e os hidrocarbonetos no gás de síntese são convertidos na presença de plasma gerado pelo segundo gerador de plasma de micro-ondas;
[0017] 3) permitir os resíduos de coque caírem para baixo, para a zona de leito fixo, e libertar energia térmica para manter a temperatura da zona de leito fixo, e descarregar escória pela saída de escórias; e [0018] 4) monitorar, em tempo real, uma temperatura e componentes do gás de síntese pela unidade de controle disposta perto da saída de gás de síntese para manter os parâmetros de processo dentro de um intervalo pré-definido.
[0019] Na etapa 1), a temperatura de gaseificação é entre 700 e 1600°C, e na etapa 4), a temperatura do gás de síntese é de até 1200°C.
[0020] Na etapa 1), a temperatura de gaseificação é entre 750 e 950°C.
[0021] Na etapa 1), o vapor pulverizado a partir do bocal de oxigênio/vapor inferior opera para aumentar a concentração de vapor provocando deste modo a reação entre os resíduos de carbono e o vapor; na etapa 2), um poder total
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5/9 do segundo gerador de plasma de micro-ondas cumpre os requisitos para o fornecimento de energia térmica para o equilíbrio da reação; na etapa 2), o vapor de alta temperatura adequado é pulverizado a partir do bocal de oxigênio/vapor superior para provocar a quebra da reação dos alcatrões.
[0022] As vantagens de acordo com as formas de realização da invenção encontram-se resumidas como segue.
[0023] 1. Na presença de elevado grau de ionização e alto grau de dispersão de plasma de micro-ondas, o combustível de biomassa no gaseificador é convertido com alta eficiência, e a eficiência de gás frio é significativamente melhorada, comparada com a os processos convencionais de gaseificação, superior a 85%.
[0024] 2. O gerador de plasma de micro-ondas dispostos na zona de purificação do gaseificador facilita a quebra desiquilibrada de alcatroes em gás de síntese, e, portanto, o gás de síntese contém pouco ou nenhum alcatrão, os quais podem ser utilizados diretamente na indústria, com o processo simples e boa eficiência econômica.
[0025] 3. O gaseificador tem nenhuma necessidade específica sobre o tamanho das partículas de combustível de biomassa, esmagamento primário pode cumprir a necessidade do tamanho das partículas e, assim, os custos de produção são baixos, com boa eficiência econômica.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0026] A FIG. 1 mostra um diagrama esquemático de um gaseificador de leito fixo de biomassa e um fluxograma de um processo de gaseificação utilizando o mesmo de acordo com uma forma de realização da invenção.
[0027] A FIG. 2 é uma vista em corte feito pela linha A-A da FIG. 1.
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6/9 [0028] Nos desenhos, os seguintes números de referência são utilizados: alimentador (1); corpo da fornalha (2); gerador de plasma de micro-ondas (3); bocal de oxigênio/vapor inferior (4); bocal de oxigênio/vapor superior (5); unidade de monitoramento (6); saída de escórias (7); zona de purificação do gaseificador (8).
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO [0029] Para ilustrar adicionalmente a invenção, experiências detalhando um gaseificador e um processo para gaseificar a biomassa e os resíduos sólidos para a síntese de alta qualidade de gás de síntese são descritos abaixo. Deve notar-se que os exemplos que se seguem destinam-se a descrever e não a limitar a invenção.
[0030] Um corpo da fornalha (2) é um cilindro disposto verticalmente, uma zona de purificação (8) é disposta na parte de cima do corpo da fornalha, e uma zona de leito fixo recebendo plasma de micro-ondas é disposta na parte mais inferior do corpo da fornalha. Uma saída de escória (7) vertical descendente é disposta numa parte inferior do corpo da fornalha. Um bocal de oxigênio/vapor superior (5) está disposto na zona de purificação (8) do corpo da fornalha, e um bocal de oxigênio/vapor inferior (4) está disposto na zona do leito fixo do corpo de fornalha. Ambos os bocais podem ser controlados por interruptores para regular a vazão. O corpo da fornalha (2) é cilíndrico, ou uma combinação de um cone e um cilindro.
[0031] Um alimentador (1) é disposto no meio do corpo da fornalha (2) e comunica-se com o corpo da fornalha (2) através de uma calha de alimentação inclinada. O modo de alimentação pode ser opcionalmente de alimentação de rosca, sem a necessidade da calha de alimentação inclinada.
[0032] O número de micro-ondas do gerador de plasma é determinado pelo teor de humidade e os componentes voláteis do combustível biomassa. Como
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7/9 o combustível de biomassa contém alto teor de umidade (cerca de 20%) e baixo valor calórico, neste exemplo, o primeiro dispositivo de geração de microondas de plasma é composto por duas ou três camadas de geradores de plasma de micro-ondas (3) (na FIG. 1, existem duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas), que são centralmente dispostos abaixo do alimentador (1), e ligeiramente mais altos do que a posição do material do leito no leito fixo, e cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas compreende três ou quatro entradas de gás distribuídas uniformemente trabalhando. A disposição semelhante dos geradores de plasma de microondas, como dispostos acima do alimentador também é aceitável. O segundo dispositivo de geração de plasma de micro-ondas é disposto na zona de purificação que está acima do alimentador (1), e compreende uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas compreende três ou quatro entradas de gás distribuídas uniformemente trabalhando.
[0033] O primeiro gerador de plasma de micro-ondas tem grande potência e pequena distância entre os eletrodos, e produz alta temperatura de plasma; o segundo gerador de plasma de micro-ondas tem grande distância entre os eletrodos, forte atividade plasma, e larga variação de volume, o qual está configurado para quebrar o alcatrão no gás de síntese e para converter os hidrocarbonetos tais como o metano em gás de síntese. Por fim, o teor de alcatrão no gás de síntese é reduzido para atender o nível direto de uso na indústria, e o teor de hidrocarbonetos também é reduzido, o que é propício para a remoção subsequente de carbono.
[0034] A fonte de energia de micro-ondas dos geradores de plasma de microondas tem uma frequência básica de 2,45 GHz e uma potência de um único gerador de plasma de micro-ondas a cerca de 200 kW.
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8/9 [0035] A potência total do segundo gerador de plasma de micro-ondas atende ao requisito para o fornecimento de energia térmica para o equilíbrio de reação.
[0036] Uma unidade de monitoramento (6) está disposta perto da saída do gás de síntese, na parte superior do corpo da fornalha (2) para monitorar em tempo real a temperatura e os componentes de gás de síntese para manter os parâmetros de processo dentro de um intervalo pré-definido.
[0037] O combustível de biomassa e os resíduos são introduzidos no corpo da fornalha (2), por intermédio do alimentador (1), e gaseificados rapidamente na zona do leito fixo do gaseificador. Em primeiro lugar, as partículas de combustível são pirolisadas sob alta temperatura para se obter uma grande quantidade de componentes voláteis, e os resíduos de semicoque. Os componentes voláteis reagem com o oxigênio e vapor na presença de elevada atividade de plasma gerada pelo gerador de plasma de micro-ondas. Regular a temperatura da zona de leito fixo pode assegurar o bom funcionamento do processo de gaseificação. Se a temperatura do forno é muito baixa, o gás de trabalho, tal como o oxigênio, em geral deve ser completado, e a energia de micro-ondas do gerador de plasma de micro-ondas (3) e a taxa de fluxo do gás de trabalho são ajustadas em conformidade, vice-versa. O vapor pulverizado a partir do bico de oxigênio/vapor inferior (4) funciona para aumentar a concentração de vapor, provocando deste modo a reação entre os resíduos de carbono e o vapor, melhorando o rendimento de H2, a inibição da formação de alcatrões na zona de reação, e aumentando a qualidade de gás de síntese.
[0038] Com a alimentação e gaseificação da biomassa combustível, o gás de síntese flui para cima para a zona de purificação e é quebrado. Os resíduos de coque caem para baixo, para a zona de leito fixo e libertam a energia de calor para manter a temperatura no seu interior. A escória resultante é descarregada a partir da saída de escória (7). Na zona da purificação (8), o gás de síntese é ainda quebrado na presença de elevado grau de ionização e uma elevada
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9/9 atividade de plasma gerado pelo segundo gerador de plasma de micro-ondas. Apropriado vapor de alta temperatura é pulverizado a partir do bocal de oxigênio/vapor superior (5) para o craqueamento de mais alcatrão no gás de síntese. Assim, o teor de alcatrão é muito reduzido, o que é propício para a posterior aplicação.
[0039] A temperatura de gaseificação é entre 700 e 1600°C; e a temperatura do gás de síntese é de até 1200°C. A temperatura de gaseificação é entre 750 e 950°C.
[0040] Para alcançar as condições de trabalho ideais e satisfazer o requisito de desempenho da gaseificação, a chave é controlar a temperatura do leito do fluxo arrastado, e para regular a taxa de fluxo de oxigênio, a taxa de fluxo de vapor e a energia de micro-ondas. A unidade de monitoramento disposta na proximidade da saída do gás de síntese pode monitorar os parâmetros acima, em tempo real, assim, controlar o processo de gaseificação por cadeia e por automatização completa e mantendo a estabilidade da operação do gaseificador.
[0041] Embora formas de realização particular da invenção tenham sido mostradas e descritas, será óbvio para os especialistas que alterações e modificações podem ser feitas sem se afastarem da invenção nos seus aspectos mais amplos e, por isso, o objetivo das reivindicações é abranger todas estas alterações e modificações que se enquadrem dentro do verdadeiro espírito e objeto da invenção.
Claims (9)
1) fornecer combustível de biomassa e resíduos no corpo da fornalha (2) através de um alimentador, permitir o combustível de biomassa e resíduos serem incinerados e gaseificado na zona de leito fixo para produzir gás de alta temperatura de combustão, permitir o gás de combustão fluir para cima para troca de calor com combustível de biomassa recém alimentados e os resíduos de uma zona de alimentação do gaseificador, e permitir o gás de combustão reagir com o vapor pulverizado a partir do bocal inferior de oxigênio/vapor (4, 5) e com um oxidante de plasma gerado pelo primeiro gerador de plasma de micro-ondas (3) para se obter gás de síntese, das quais uma equação química sendo: 2C + O2 = 2CO, C + H2O = CO + H2, a uma temperatura de gaseificação sendo entre 700 e 1600 ° C;
1. GASEIFICADOR DE LEITO FIXO DE BIOMASSA DE PLASMA DE MICRO-ONDAS, que compreende um corpo de fornalha (2) disposto verticalmente, uma unidade de controle (6) e um dispositivo gerador de plasma de micro-ondas (3), o corpo da fornalha (2) compreendendo uma entrada de material e de combustível, uma saída de gás de síntese, uma entrada de oxigênio/vapor (4, 5) e uma saída de escória (7), caracterizado por o corpo de fornalha (2) compreender uma zona de purificação (8) na parte superior do mesmo e uma zona de leito fixo numa parte inferior do mesmo; a saída de escória (7) estar disposta numa parte inferior do corpo da fornalha (2); a unidade de monitoramento (6) estar disposta próxima à saída de gás de síntese; pelo menos um dispositivo gerador de plasma de micro-ondas (3) ser disposto sobre o corpo da fornalha (2), um primeiro dispositivo gerador de plasma de micro-ondas (3) estar disposto entre a zona de leito fixo na parte inferior do corpo da fornalha (2) e a entrada de material e de combustível, e um segundo dispositivo de geração de plasma de micro-ondas (3') estar disposto na zona de purificação (8) na parte superior do corpo da fornalha (2).
2) permitir que o gás de síntese flua para cima, para a zona de purificação (8), onde os alcatrões no gás de síntese são quebrados e os hidrocarbonetos no
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2/3 gerador de plasma de micro-ondas (3') ter grande distância entre os eletrodos, forte atividade plasma e larga variação de volume.
2. GASEIFICADOR DE LEITO FIXO DE BIOMASSA DE PLASMA DE MICRO-ONDAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo primeiro dispositivo de geração de micro-ondas de plasma (3) estar composto por duas ou três camadas de geradores de micro-ondas de plasma (3'), o segundo dispositivo gerador de plasma de micro-ondas compreender uma ou duas camadas de geradores de plasma de micro-ondas, e cada camada dos geradores de plasma de micro-ondas compreender três ou quatro entradas de gás trabalhando distribuídas uniformemente.
3) permitir os resíduos de coque caírem para baixo, para a zona de leito fixo, e libertar energia térmica para manter a temperatura da zona de leito fixo, e descarregar a saída de escórias de escórias (7); e
3/3 gás de síntese são convertidos na presença de plasma gerado pelo segundo gerador de plasma de micro-ondas (3');
3. GASEIFICADOR DE LEITO FIXO DE BIOMASSA DE PLASMA DE MICRO-ONDAS, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o primeiro gerador de plasma de micro-ondas (3) ter grande potência e pequena distância entre os eletrodos, e produzir alta temperatura de plasma; o segundo
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4) monitorar, em tempo real, uma temperatura e componentes do gás de síntese pela unidade de controle (6) disposta perto da saída de gás de síntese para manter os parâmetros de processo dentro de um intervalo pré-definido.
4. GASEIFICADOR DE LEITO FIXO DE BIOMASSA DE PLASMA DE MICRO-ONDAS, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por uma fonte de energia de micro-ondas dos geradores de plasma de micro-ondas (3, 3') terem uma frequência básica de 2,45 GHz e uma potência de um único gerador de plasma de micro-ondas a cerca de 200 kW.
5. GASEIFICADOR DE LEITO FIXO DE BIOMASSA DE PLASMA DE MICRO-ONDAS, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por um bocal superior de oxigênio/vapor (5) estar disposto na zona de purificação (8) do corpo da fornalha (2), e um do bocal inferior de oxigênio/vapor (4) estar disposto na zona do leito fixo do corpo da fornalha (2).
6. MÉTODO DE GASEIFICAÇÃO USANDO O GASEIFICADOR DE LEITO FIXO DE BIOMASSA DE PLASMA DE MICRO-ONDAS conforme descrito em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por:
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por na etapa 1), a temperatura de gaseificação ser entre 700 e 1600°C, e na etapa 4), a temperatura do gás de síntese ser de até 1200°C.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por na etapa 1), a temperatura de gaseificação ser entre 750 e 950°C.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado por, na etapa 1) o vapor pulverizado a partir do bocal inferior (4) operar para aumentar a concentração de vapor provocando deste modo a reação entre os resíduos de carbono e o vapor; na etapa 2), um poder total de alimentação do segundo gerador de plasma de micro-ondas (3') cumprir os requisitos para o fornecimento de energia térmica para o equilíbrio da reação; o vapor de alta temperatura adequada ser pulverizado a partir do bocal de oxigênio/vapor superior (5) para provocar a quebra da reação dos alcatrões.
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