BR112016016552B1 - Processo para biorrefinamento para coproduzir carvão ativado juntamente com produtos primários - Google Patents

Processo para biorrefinamento para coproduzir carvão ativado juntamente com produtos primários Download PDF

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Abstract

microusina de carbono. a presente revelação fornece sistemas de biorrefinamento para coproduzir carvão ativado juntamente com produtos primários. uma usina hospedeira converte uma matéria-prima que compreende biomassa em produtos primários e coprodutos contendo carbono; um sistema de reator modular pirolisa e ativa os coprodutos, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação oxida o gás de exaustão de pirólise, gerando co2, h2o e energia. a energia é reciclada e utilizada na usina hospedeira, e o co2 e h2o podem ser reciclados para o sistema de reator como um agente de ativação. a usina hospedeira pode ser uma serraria, uma usina de papel e celulose, uma fábrica de moagem úmida ou seca de milho, uma instalação de produção de açúcar ou uma usina de alimentos ou bebidas, por exemplo. em algumas modalidades, o carvão ativado é utilizado na usina hospedeira para purificar um ou mais produtos primários, para purificar água, para tratar corrente de refugo líquido e/ou para tratar uma corrente de refugo em vapor.

Description

REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE
[001]Este pedido reivindica a prioridade sobre o Pedido Provisório n° de série U.S. 61/928.100, depositado 16 de janeiro de 2014, cuja revelação é aqui incorporada em sua totalidade a título de referência.
CAMPO
[002]A presente revelação refere-se geralmente aos processos, métodos, sistemas e aparelhos para a produção de carvão ativado que começa a partir de várias correntes de biomassa e da integração da produção de carvão ativado em um local hospedeiro.
ANTECEDENTES
[003]O carvão ativado é uma forma comumente usada de carbono e é tradici-onalmente produzido a partir de combustíveis fósseis. Os desenvolvimentos mais recentes examinaram os processos para produção de carvão ativado a partir de recursos renováveis, tal como biomassa.
[004]O carvão ativado pode ser produzido, em princípio, a partir virtualmente de qualquer material que contém carbono. Os materiais carbonáceos comumente incluem recursos fósseis tais como gás natural, petróleo, hulha e lignita; e recursos renováveis tais como biomassa lignocelulósica e vários materiais residuais ricos em carbono. Em algumas modalidades, uma biomassa renovável é usada (pelo menos, em parte) para produzir carvões ativados devido à elevação dos custos sociais, ambientais e econômicos associados aos recursos fósseis.
[005]Biomassa é um termo usado para descrever qualquer matéria biogênica ou matéria biologicamente produzida. A energia química contida em biomassa é derivada da energia solar com uso do processo natural de fotossíntese. Esse é o processo pelo qual as plantas absorvem dióxido de carbono e água de seus arredores e, com uso de energia da luz solar, convertem as mesmas em açúcares, amidos, celulose, hemicelulose e lignina. Dentre todas as fontes de energia renováveis, a biomassa é única, visto que é, efetivamente, energia solar armazenada. Além disso, a biomassa é a única fonte renovável de carbono.
[006]Converter a biomassa em carvão ativado biogênico, no entanto, possui tanto desafios técnicos quanto desafios econômicos que surgem das variações de matéria-prima, dificuldades operacionais e intensidade de capital. Há uma variedade de tecnologias de conversão para transformar as matérias-primas de biomassa em materiais com alto teor de carbono. A maioria das tecnologias de conversão conhecidas utiliza alguma forma de pirólise.
[007]A pirólise é um processo para conversão térmica de materiais sólidos na ausência completa de agente oxidante (ar ou oxigênio) ou com suprimento limitado de tal modo que a oxidação não ocorre em qualquer extensão apreciável. Dependendo dos aditivos e das condições de processo, a pirólise de biomassa pode ser ajustada para produzir quantidades amplamente variáveis de gás, líquido e sólido. As temperaturas inferiores de processo e os tempos mais longos de permanência do vapor favorecem geralmente a produção de sólidos. Altas temperaturas e tempos de resistência mais longos aumentam geralmente a conversão de biomassa em gás de síntese, embora temperaturas moderadas e curtos tempos de resistência ao vapor sejam geralmente ideais para a produção de líquidos. Recentemente, há muita atenção dedicada à pirólise e aos processos relacionados para converter biomassa em gás de síntese de alta qualidade e/ou para líquidos como precursores para combustíveis líquidos.
[008]Por outro lado, há menos enfoque no aprimoramento de processos, es-pecialmente para otimizar o rendimento e a qualidade dos sólidos como carvão ativado. Historicamente, a lenta pirólise de madeira é realizada em grandes pilhas, em um processo em batelada simples, sem controle de emissões. As tecnologias de fabricação de carvão vegetal tradicionais são ineficazes em termos energéticos bem como altamente poluentes. Claramente, há desafios práticos e econômicos para produção em escala comercial contínua de carvão ativado, enquanto se gerencia o teor de energia e se controla as emissões. Seria benéfico se a produção de carvão ativado pudesse ser eficazmente integrada, em pequena escala, em várias plantas hospedeiras de biorrefinaria.
[009]Uma instalação de produção de carbono bem projetada tem o potencial para criar energia além daquela necessária para a produção de carbono. A localização simultânea de uma instalação de produção de carbono em uma instalação hospedeira que pode tanto fornecer matérias-primas para a produção de carbono quanto usar biogás ou calor produzidos a partir da produção de carbono tem o potencial de aprimorar os impactos ambientais e custos para produção de carbono e em uma instalação hospedeira em que a planta de carbono pode estar simultaneamente localizada.
DESCRIÇÃO RESUMIDA
[010]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um sistema de bior- refinamento para coproduzir o carvão ativado juntamente com produtos primários, em que o sistema compreende: uma planta hospedeira configurada para converter uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar os um ou mais copro- dutos, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; e em que pelo menos alguma parte dentre CO2 e/ou H2O é reciclado e utilizado no sistema de reator como um agente de ativação.
[011]Em algumas modalidades, a microplanta de carbono compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um coproduto carbo- náceo obtido a partir de uma planta hospedeira, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira; e em que pelo menos alguma parte dentre CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no sistema de reator como um agente de ativação.
[012]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece um processo de biorrefinamento para coproduzir carvão ativado juntamente com produtos primários, em que o processo compreende: (a) converter uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; (b) pirolisar e ativar os um ou mais coprodutos, gerando, assim, carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; (c) oxidar o gás de exaustão de pirólise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[013]Em algumas modalidades, a etapa (b) emprega um sistema de reator modular para produzir continuamente o carvão ativado que inclui as subetapas de: (b)(i) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b)(ii) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, mecanicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (b)(iii) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (b)(iv) reciclar pelo menos uma porção da corrente de vapor separada, ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os um ou mais copro- dutos antes da subetapa (b)(ii) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) zona(s) de reação; e (b)(v) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[014]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece um método de adaptação de uma planta hospedeira de biomassa existente, em que o método compreende: (i) instalar um sistema de reator modular dentro de uma planta hospedeira existente que processa biomassa, ou adjacente à mesma, em que o sistema de reator tem capacidade para produzir carvão ativado; (ii) conduzir, ao sistema de reator, um ou mais de coprodutos que contêm carbono que surgem a partir da operação da planta hospedeira; (iii) controlar o sistema de reator para pirolisar e ativar os um ou mais copro- dutos contendo carbono para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e (iv) oxidar o gás de exaustão de pirólise para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; e em que pelo menos alguma parte dentre CO2 e/ou H2O é reciclado e utilizado no sistema de reator como um agente de ativação.
[015]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece um método de distribuição de microplantas de carbono modulares dentro de uma região de terreno especificada, em que as microplantas de carbono podem converter os coprodutos car- bonáceos das plantas hospedeiras em carvão ativado, em que o método compreende: (a) determinar uma pluralidade de fontes de coprodutos carbonáceos de plantas hospedeiras dentro da região de terreno; (b) determinar uma capacidade de matéria-prima e/ou capacidade de produto dentro da região de terreno; (c) calcular, para a capacidade de matéria-prima e/ou capacidade de produto dentro da região de terreno, distâncias de transporte para e a partir de uma pluralidade de locais possíveis, gerando, assim, um perfil de transporte dentro da região de terreno; (d) selecionar um número total de microplantas de carbono para a região de terreno, com base na capacidade de matéria-prima e/ou na capacidade de produto da etapa (b); e (e) distribuir as microplantas de carbono dentro da região de terreno com base pelo menos em informações obtidas nas etapas (a) a (d), com o uso de uma rotina de otimização realizada em um computador.
[016]Em algumas modalidades, cada microplanta de carbono compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um coproduto carbo- náceo obtido a partir de uma planta hospedeira, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[017]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece um sistema de rede que compreende uma pluralidade espacialmente distribuída de microplantas de carbono modulares para converter os coprodutos carbonáceos das plantas hospedei-ras em carvão ativado, em que cada microplanta de carbono compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um coproduto carbo- náceo obtido a partir de uma planta hospedeira individual, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira individual; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[018]Em algumas modalidades relacionadas aos materiais carbonáceos não provenientes de biomassa, a presente revelação fornece uma microplanta de carbono que compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um material carboná- ceo de não biomassa obtido a partir de uma planta hospedeira, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[019]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece a sistema de biorrefinamento para coproduzir o carvão ativado juntamente com produtos primários, em que o sistema compreende: uma planta hospedeira configurada para converter uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar os um ou mais copro- dutos, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação; e em que pelo menos uma porção do carvão ativado é usada como carvão ativado interno que é utilizado dentro da planta hospedeira ou para auxiliar na geração de biomassa nova.
[020]Em qualquer modalidade fornecida no presente documento, o sistema de reator (por exemplo, o sistema de reator de um sistema de biorrefinamento, microplanta de carbono, processo de biorrefinamento, planta hospedeira de biomassa adaptada ou sistema de rede conforme descrito no presente documento) é opcionalmente configurado para executar um processo contínuo para produção do carvão ativado, em que o processo compreende: (f) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (g) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, me-canicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (h) remover pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (i) reciclar pelo menos uma porção da dita corrente de vapor separada ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os ditos um ou mais coprodutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) dita(s) zona(s) de reação; e (j) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[021]Essas e outras modalidades serão evidentes para um indivíduo de habilidade comum na técnica a partir das figuras e descrições adicionais fornecidas no presente documento.
BREVE DESCRIÇÃO DA FIGURA
[022]A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um sistema de biorrefinaria que incorpora uma microplanta de carbono, de acordo com uma modalidade da presente revelação.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[023]Conforme usado neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as formas no singular “o”, “a”, “um”, "uma" incluem referências no plural, a menos que o contexto indique claramente o contrário. Exceto onde definido em contrário, todo os termos técnicos e científicos usados aqui têm o mesmo significado como é comumente compreendido pelo versado na técnica, ao qual esta descrição pertence.
[024]A menos que indicado o contrário, todos os números que expressam condições de reação, estequiometrias, concentrações de componentes, e assim por diante, usados neste relatório descritivo e nas reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todas as instâncias pelo termo “cerca de”. Consequentemente, a menos que indicado o contrário, os parâmetros numéricos apresentados no relatório descritivo e nas reivindicações anexas a seguir são aproximações que podem variar dependendo pelo menos de uma técnica analítica desejada.
[025]O termo “que compreende” que é sinônimo dos termos “que inclui”, “que contém” ou “distinguido por” é inclusivo ou não restritivo e não exclui as etapas de método ou elementos não mencionados adicionais. O termo “que compreende” é um termo da técnica usado na linguagem das reivindicações que significa que os elementos reivindicados nomeados são essenciais, mas outros elementos reivindicados podem ser adicionados, formando, ainda, uma construção dentro do escopo das reivindicações.
[026]Conforme usado no presente documento, a frase “que consiste em" exclui qualquer elemento, etapa ou ingrediente não especificado na reivindicação. Quando a frase “consiste em" (ou variantes da mesma) aparece em uma cláusula do corpo de uma reivindicação, em vez de seguir imediatamente o preâmbulo, a mesma limita apenas os elementos apresentados naquela cláusula; outros elementos não são excluídos da reivindicação como um todo. Conforme usado neste documento, a frase "que consiste essencialmente em" limita o escopo de uma reivindicação às etapas de método ou elementos especificados e àqueles que não afetam materialmente a(s) ca- racterística(s) básica(s) e inovadora(s) da matéria reivindicada.
[027]Em relação aos termos “que compreende”, “que consiste em” e “que consiste essencialmente em”, em que um desses três termos é usado no presente documento, a matéria presentemente reivindicada e revelada pode incluir o uso de qualquer um dos outros dois termos. Desse modo, em algumas modalidades, não citadas explicitamente de outro modo, qualquer exemplo de “que compreende” pode ser substituído por “que consiste em" ou, alternativamente, por “que consiste essencialmente em”.
[028]Os termos “pirólise” e “pirolisar” geralmente se referem à decomposição térmica de um material carbonáceo. Na pirólise, está presente um menor teor de oxigênio do que é exigido para combustão completa do material, tal como menos que 10%, menos que 5%, menos que 1%, menos que 0,5%, menos que 0,1% ou menos que 0,01% do oxigênio que é exigido para combustão completa. Em algumas modalidades, a pirólise é realizada na ausência de oxigênio.
[029]Para propósitos presentes, o termo “biogênico” é destinado a significar um material (uma matéria-prima, produto ou intermediário) que contém um elemento, tal como carbono, que é renovável em escalas temporais de meses, anos ou décadas. Os materiais não biogênicos podem ser não renováveis ou podem ser renováveis em escalas temporais de séculos, milhares de anos, milhões de anos ou até mesmo escalas temporais geológicas mais longas. Nota-se que um material biogênico pode incluir uma mistura de fontes biogênicas e não biogênicas.
[030]Para propósitos presentes, o termo “reagente” é destinado a significar um material em seu sentido mais amplo; um reagente pode ser um combustível, um produto químico, um material, um composto, um aditivo, um componente da blenda, um solvente e assim por diante. A reagente não é necessariamente um reagente químico que causa ou participa de uma reação química. Um reagente pode ou não ser um reagente químico; pode ou não ser consumido em uma reação. Um reagente pode ser um catalisador químico para uma reação particular. Um reagente pode causar ou participar do ajuste de uma propriedade hidrodinâmica, física ou mecânica de um material ao qual o reagente pode ser adicionado. Por exemplo, um reagente pode ser introduzido a um metal para conferir certas propriedades de resistência ao metal. Um reagente pode ser uma substância de pureza suficiente (que, no contexto atual, é tipicamente pureza de carbono) para uso em análise química ou teste físico.
[031]O carvão ativado biogênico terá teor de carbono relativamente alto conforme comparado à matéria-prima inicial utilizada para produzir o carvão ativado bio- gênico. Um carvão ativado biogênico conforme fornecido no presente documento conterá normalmente mais do que cerca de metade do seu peso como carbono, visto que o teor de carbono típico de biomassa não é maior do que cerca de 50% em peso. Mais tipicamente, mas dependendo da composição de matéria-prima, um carvão ativado biogênico conterá pelo menos 55% em peso, pelo menos 60% em peso, pelo menos 65% em peso, pelo menos 70% em peso, pelo menos 75% em peso, pelo menos 80% em peso, 85% em peso, pelo menos 90% em peso, pelo menos 95% em peso, pelo menos 96% em peso, pelo menos 97% em peso, pelo menos 98% em peso, ou pelo menos 99 % em peso de carbono.
[032]Não obstante ao anteriormente mencionado, o termo “carvão ativado bi- ogênico” é usado no presente documento para propósitos práticos para descrever consistentemente materiais que podem ser produzidos por processos e sistemas da revelação, em várias modalidades. As limitações quanto ao teor de carbono ou quaisquer outras concentrações, não devem ser imputadas a partir do próprio termo, mas, em vez disso, apenas a título de referência para modalidades particulares e equivalentes das mesmas. Por exemplo, será observado que um material de partida que tem teor de carbono inicial muito baixo, submetido aos processos revelados, pode produzir um carvão ativado biogênico que tem carbono altamente enriquecido em relação ao material de partida (alto rendimento de carbono), mas, entretanto, teor de carbono relativamente baixo (baixa pureza de carbono), que inclui menos do que 50% em peso de carbono.
[033]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um sistema de bior- refinamento para coproduzir o carvão ativado juntamente com produtos primários, em que o sistema compreende: uma planta hospedeira configurada para converter uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar os um ou mais copro- dutos, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de pirólise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[034]Em algumas modalidades, a planta hospedeira é selecionada a partir do grupo que consiste em uma serraria, uma fábrica de celulose, uma planta de celulose e papel, uma fábrica de moagem úmida de milho, uma fábrica de moagem seca de milho, uma planta de etanol de milho, uma planta de etanol celulósico, uma planta de etanol de cana-de-açúcar, uma planta de processamento de grão, uma instalação de produção de açúcar, uma planta de alimentos, uma instalação de processamento de nozes, uma instalação de processamento de frutas, uma instalação de processamento de vegetais, uma instalação de processamento de cereais e uma instalação de produção de bebidas.
[035]Em várias modalidades, a biomassa é selecionada a partir do grupo que consiste em lascas de madeira macia, lascas de madeira dura, resíduos da extração de madeira, ramos de árvore, pedaços de tronco de árvore, folhas, cortiça, serragem, milho, palha de milho, trigo, palha de trigo, arroz, palha de arroz, cana-de-açúcar, bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, cana-energia, beterrabas sacarinas, polpa de beterraba sacarina, girassóis, sorgo, canola, algas, miscanto, alfafa, painço, frutas, cascas de frutas, talos de fruta, peles de fruta, caroços de fruta, vegetais, cascas de vegetal, talos de vegetal, peles de vegetal, caroços de vegetal, bagaço de uva, cascas de amêndoa, cascas de noz-pecã, cascas de coco, grãos de café, resíduos de alimento, resíduos comerciais, péletes de grama, péletes de feno, péletes de madeira, papelão, papel, polpa de papel, embalagem de papel, recortes de papel, embalagem de alimento, lignina, estrume de animal, resíduo sólido urbano, esgoto urbano e combinações dos mesmos.
[036]Os um ou mais coprodutos podem ser selecionados a partir do grupo que consiste em resíduo de madeira, serragem, madeira ou biomassa fina, cortiça, grãos de destilaria, sólidos residuais de fermentação, resíduos lignocelulósicos, lignina, cinzas contendo carbono e combinações dos mesmos.
[037]Em algumas modalidades, o sistema de reator é configurado também para pirolisar e ativar uma porção dos um ou mais produtos primários. Em algumas modalidades, o sistema de reator é configurado também para pirolisar e ativar uma porção da matéria-prima para a planta hospedeira.
[038]O sistema de reator pode ser um sistema modular com a capacidade de rendimento a partir de cerca de 10 toneladas/dia a cerca de 1.000 toneladas/dia em uma base seca, tal como, cerca de 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 ou 500 toneladas/dia de uma base seca, por exemplo.
[039]Em algumas modalidades, o sistema de reator é configurado para executar um processo contínuo para produção do carvão ativado, em que o processo compreende: (k) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (l) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, me-canicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (m) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (n) reciclar pelo menos uma porção da dita corrente de vapor separada ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os ditos um ou mais coprodutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) dita(s) zona(s) de reação; e (o) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[040]A unidade de oxidação pode ser um forno de combustão ou um reator catalítico, por exemplo. Em algumas modalidades, a unidade de oxidação tem uma capacidade de geração de energia de cerca de 1 milhão Btu/hora a cerca de 50 milhões Btu/hora, tal como, cerca de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 ou 45 milhões Btu/hora.
[041]A energia gerada pela unidade de oxidação pode ser utilizada em uma ampla variedade de maneiras. Pelo menos parte da energia pode ser utilizada para secar a matéria-prima. Pelo menos parte da energia pode ser utilizada para secar os um ou mais produtos primários e/ou os um ou mais coprodutos. Pelo menos parte da energia pode ser utilizada para produção de vapor d'água para uso na planta hospedeira. Pelo menos parte da energia pode ser utilizada para produção de potência, por exemplo, potência para uso na planta hospedeira e/ou para exportação de eletricidade. Pelo menos parte da energia também pode ser reciclada e utilizada no sistema de reator como calor de ativação. Em algumas modalidades, essencialmente toda a energia é utilizada internamente, isto é, na planta hospedeira ou no sistema de bior- refinamento que contém a planta hospedeira.
[042]Em algumas modalidades, o calor contido no gás de exaustão de pirólise é utilizado para uma ou mais etapas selecionadas a partir de (i) secagem de um ou mais produtos primários e/ou um ou mais coprodutos; (ii) produção de vapor d'água para uso na planta hospedeira; ou (iii) produção de potência para uso na planta hospedeira ou para exportação de eletricidade.
[043]Em uma modalidade, a presente revelação fornece uma microplanta de carbono que compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um coproduto carbonáceo obtido a partir de uma planta hospedeira, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[044]O coproduto carbonáceo pode ser selecionado a partir do grupo que consiste em resíduo de madeira, serragem, madeira ou biomassa fina, cortiça, grãos de destilaria, sólidos residuais de fermentação, resíduos lignocelulósicos, lignina, cinzas contendo carbono e combinações dos mesmos.
[045]Em algumas modalidades, o sistema de reator é um sistema modular. Em algumas modalidades, o sistema de reator é configurado também para pirolisar e ativar uma porção de uma matéria-prima para a planta hospedeira. O sistema de reator pode ser projetado com uma capacidade de rendimento de cerca de 10 tonela- das/dia a cerca de 1.000 toneladas/dia em uma base seca ou de cerca de 50 tonela- das/dia a cerca de 500 toneladas/dia em uma base seca, por exemplo.
[046]A unidade de oxidação pode ser um forno de combustão ou um reator catalítico, por exemplo. Em algumas modalidades, a unidade de oxidação tem uma capacidade de geração de energia de cerca de 1 milhão Btu/hora a cerca de 50 milhões Btu/hora, tal como de cerca de 10 milhões Btu/hora a cerca de 20 milhões Btu/hora.
[047]A energia da unidade de oxidação pode ser recuperada e utilizada para secar uma matéria-prima para a planta hospedeira, secar o coproduto carbonáceo, produzir o vapor d'água para uso na planta hospedeira, produzir potência, por exemplo, potência para uso na planta hospedeira e/ou para exportação de eletricidade ou reciclagem para o sistema de reator como calor de ativação, entre outros usos.
[048]Em algumas modalidades, o calor contido no gás de exaustão de pirólise é utilizado (diretamente, sem seguir a oxidação) para uma ou mais etapas selecionadas a partir de (i) secar o coproduto carbonáceo; (ii) produzir vapor d'água para uso na planta hospedeira; e (iii) produzir potência para uso na planta hospedeira ou para exportação de eletricidade. Em algumas modalidades, uma combinação de calor contido no gás de exaustão de pirólise e calor contido em gases de oxidação é utilizada, por mistura direta desses gases seguida por transferência de calor ou por dupla transferência de calor de cada um dentre o gás de exaustão de pirólise e o gás de oxidação ou outros meios.
[049]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um processo de bior- refinamento para coproduzir carvão ativado juntamente com produtos primários, em que o processo compreende: (p) converter uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; (q) pirolisar e ativar os um ou mais coprodutos, gerando, assim, carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; (r) oxidar o gás de exaustão de pirólise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[050]Em algumas modalidades, a etapa (a) está associada a um local selecionado a partir do grupo que consiste em uma serraria, uma fábrica de celulose, uma planta de celulose e papel, uma fábrica de moagem úmida de milho, uma fábrica de moagem seca de milho, uma planta de etanol de milho, uma planta de etanol celulósico, uma planta de etanol de cana-de-açúcar, uma planta de processamento de grão e uma planta de alimentos.
[051]A biomassa é selecionada a partir do grupo que consiste em lascas de madeira macia, lascas de madeira dura, resíduos da extração de madeira, ramos de árvore, pedaços de tronco de árvore, folhas, cortiça, serragem, milho, palha de milho, trigo, palha de trigo, arroz, palha de arroz, cana-de-açúcar, bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, cana-energia, beterrabas sacarinas, polpa de beterraba sacarina, girassóis, sorgo, canola, algas, miscanto, alfafa, painço, frutas, cascas de frutas, talos de fruta, peles de fruta, caroços de fruta, vegetais, cascas de vegetal, talos de vegetal, peles de vegetal, caroços de vegetal, bagaço de uva, cascas de amêndoa, cascas de noz-pecã, cascas de coco, grãos de café, resíduos de alimento, resíduos comerciais, péletes de grama, péletes de feno, péletes de madeira, papelão, papel, polpa de papel, embalagem de papel, recortes de papel, embalagem de alimento, lignina, estrume de animal, resíduo sólido urbano, esgoto urbano e combinações dos mesmos.
[052]Os um ou mais coprodutos podem ser selecionados a partir do grupo que consiste em resíduo de madeira, serragem, madeira ou biomassa fina, cortiça, grãos de destilaria, sólidos residuais de fermentação, resíduos lignocelulósicos, lignina, cinzas contendo carbono e combinações dos mesmos.
[053]Alguns processos compreendem adicionalmente pirolisar e ativar uma porção dos um ou mais produtos primários. Alguns processos compreendem adicionalmente pirolisar e ativar diretamente uma porção da matéria-prima fornecida na etapa (a).
[054]A etapa (b) pode ser configurada para processar de cerca de 10 tonela- das/dia a cerca de 1.000 toneladas/dia em uma base seca, tal como, de cerca de 50 toneladas/dia a cerca de 500 toneladas/dia em uma base seca.
[055]Em algumas modalidades, a etapa (b) emprega um sistema de reator modular para produzir continuamente o carvão ativado que inclui as subetapas de: (b)(i) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b)(ii) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, mecanicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (b)(iii) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (b)(iv) reciclar pelo menos uma porção da corrente de vapor separada, ou uma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os um ou mais coprodutos antes da subetapa (b)(ii) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) zona(s) de reação; e (b)(v) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[056]Em algumas modalidades, pelo menos parte do carvão ativado que é produzido é utilizada para filtração no local, esfregamento ou outras operações locais que podem ou não podem estar associados diretamente ao processo. Em algumas modalidades, todo o carvão ativado ou substancialmente todo o carvão ativado que é produzido é utilizado no local. Por exemplo, a planta hospedeira pode estar situada em um campus de instalações e parte do carvão ativado que é produzido pode ser utilizado para necessidades de filtração ou esfregamento por todas tais instalações.
[057]Em algumas modalidades, o carvão ativado é combinado com um produto primário a partir da etapa (a) para gerar um produto de compósito. Em algumas modalidades, o carvão ativado é usado para modificar propriedades químicas ou mecânicas de um produto, tal como, um produto derivado de madeira ou produto derivado de celulose.
[058]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece um método de adaptação de uma planta hospedeira de biomassa existente, em que o método compreende: (i) instalar um sistema de reator modular dentro ou adjacente a uma planta hospedeira existente que processa biomassa, em que o sistema de reator tem capacidade para produzir carvão ativado; (ii) conduzir, ao sistema de reator, um ou mais de coprodutos que contêm carbono que surgem a partir da operação da planta hospedeira; (iii) controlar o sistema de reator para pirolisar e ativar os um ou mais copro- dutos contendo carbono, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e (iv) oxidar o gás de exaustão de pirólise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[059]A planta hospedeira a ser adaptada pode ser selecionada a partir do grupo que consiste em uma serraria, uma fábrica de celulose, uma planta de celulose e papel, uma fábrica de moagem úmida de milho, uma fábrica de moagem seca de milho, uma planta de etanol de milho, uma planta de etanol celulósico, uma planta de etanol de cana-de-açúcar, uma planta de processamento de grão, uma instalação de produção de açúcar, uma planta de alimentos, uma instalação de processamento de nozes, uma instalação de processamento de frutas, uma instalação de processamento de vegetais, uma instalação de processamento de cereais e uma instalação de produção de bebidas.
[060]Os um ou mais de coprodutos que contêm carbono que surgem da operação da planta hospedeira podem ser selecionados a partir do grupo que consiste em resíduo de madeira, serragem, madeira ou biomassa fines, cortiça, grãos de destilaria, sólidos residuais de fermentação, resíduos lignocelulósicos, lignina, cinzas contendo carbono e combinações dos mesmos.
[061]Algumas modalidades do método incluem um sistema de reator com uma capacidade de rendimento de cerca de 10 toneladas/dia a cerca de 1.000 tonela- das/dia em uma base seca, que é configurada para executar um processo contínuo para produção do carvão ativado, em que o processo compreende: (a) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, me-canicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (c) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (d) reciclar pelo menos uma porção da dita corrente de vapor separada ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os ditos um ou mais coprodutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) dita(s) zona(s) de reação; e (e) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[062]A unidade de oxidação pode ter uma capacidade de geração de energia de cerca de 1 milhão Btu/hora a cerca de 50 milhões Btu/hora, tal como de cerca de 10 milhões Btu/hora a cerca de 20 milhões Btu/hora. Pelo menos parte da energia pode ser utilizada para secar a matéria-prima, os um ou mais coprodutos e/ou um produto primário da planta hospedeira; para produzir vapor d'água e/ou eletricidade para uso na planta hospedeira; e/ou para reciclar para o sistema de reator como calor de ativação.
[063]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um método de deter-minação de uma distribuição de microplantas de carbono modulares dentro de uma região de terreno especificada, em que as microplantas de carbono podem converter coprodutos carbonáceos da planta hospedeiras em carvão ativado, em que o método compreende: (a) determinar uma pluralidade de fontes de coprodutos carbonáceos de plantas hospedeiras dentro da região de terreno; (b) determinar uma capacidade de matéria-prima e/ou capacidade de produto dentro da região de terreno; (c) calcular, para a capacidade de matéria-prima e/ou capacidade de produto dentro da região de terreno, distâncias de transporte para e de uma pluralidade de locais possíveis, gerando, assim, um perfil de transporte dentro da região de terreno; (d) selecionar um número total de microplantas de carbono para a região de terreno, com base na capacidade de matéria-prima e/ou na capacidade de produto da etapa (b); e (e) determinar a distribuição das microplantas de carbono dentro da região de terreno com base pelo menos nas informações obtidas nas etapas (a) a (d), com uso de um computador configurado para armazenar instruções para determinar uma distribuição de microplantas de carbono dentro de uma região de terreno e para importar informações de um usuário para cada uma das etapas (a) a (d).
[064]Em algumas modalidades, o método determina a distribuição de 1 a cerca de 100, 1 a cerca de 50, 1 a cerca de 25, 1 a cerca de 10 ou 1 a cerca de 5 microplantas de carbono modulares dentro de uma região de terreno especificada, por exemplo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 ou 100 microplantas de carbono modulares.
[065]Em algumas modalidades, cada microplanta de carbono modular compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um coproduto carbo- náceo obtido a partir de uma planta hospedeira, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada à (por exemplo, usada em) planta hospedeira; e em que pelo menos parte do CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no sistema de reator como um agente de ativação.
[066]Em algumas modalidades, cada microplanta de carbono modular compreende um sistema de reator configurado para executar um processo contínuo para produção de carvão ativado, em que o processo compreende: (a) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, me-canicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (c) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (d) reciclar pelo menos uma porção da dita corrente de vapor separada ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os ditos um ou mais coprodutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) dita(s) zona(s) de reação; e (e) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[067]Um sistema de computação pode ser configurado para determinar uma distribuição de microplantas de carbono modulares dentro de uma região de terreno especificada, em que as microplantas de carbono podem converter coprodutos carbo- náceos da planta hospedeiras em carvão ativado, em que o sistema compreende um computador que tem um processador, uma área de memória principal para executar o código de programa sob a direção do processador, um dispositivo de armazenamento para armazenar dados e o código de programa e um barramento que conecta o processador, a memória principal e o dispositivo de armazenamento; em que o código é armazenado no dispositivo de armazenamento e é executado na memória principal sob a direção do processador, para realizar etapas de processo (a) a (e) mencionadas acima.
[068]Em algumas modalidades, o sistema de computação compreende adici-onalmente um computador servidor que liga a pluralidade de microplantas de carbono, em que o computador servidor tem capacidade para realizar os cálculos e enviar os dados de saída através de uma rede (tal como a Internet ou uma Intranet). O computador servidor pode estar localizado em uma das microplantas de carbono (plantas hospedeiras) ou em uma localização central. Além disso, o computador servidor pode empregar computação em nuvem para parte das exigências de processamento ou todas as exigências de processamento, em que a computação em nuvem utiliza um meio de armazenamento legível por computador não transitório.
[069]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece uma rede que compreende uma pluralidade espacialmente distribuída de microplantas de carbono modulares para converter coprodutos carbonáceos da planta hospedeiras em carvão ativado, em que cada microplanta de carbono compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um coproduto carbo- náceo obtido a partir de uma planta hospedeira individual, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira individual; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[070]Em algumas modalidades, cada microplanta de carbono modular compreende um sistema de reator configurado para executar um processo contínuo para produção de carvão ativado, em que o processo compreende: (a) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, me-canicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (c) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (d) reciclar pelo menos uma porção da dita corrente de vapor separada ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os ditos um ou mais coprodutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) dita(s) zona(s) de reação; e (e) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[071]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece uma microplanta de carbono que compreende: um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar um material carboná- ceo de não biomassa obtido a partir de uma planta hospedeira, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é integrada com a planta hospedeira; e em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação.
[072]Em algumas modalidades, o material carbonáceo é selecionado a partir do grupo que consiste em hulha, pós finos de hulha, lignita, coque, coque de petróleo, resíduos ou resíduos de petróleo e combinações dos mesmos.
[073]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um sistema de bior- refinamento para coproduzir o carvão ativado juntamente com produtos primários, em que o sistema compreende: uma planta hospedeira configurada para converter uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; um sistema de reator configurado para pirolisar e ativar os um ou mais copro- dutos, para gerar carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; e uma unidade de oxidação configurada para oxidar o gás de exaustão de piró- lise, para gerar CO2, H2O e energia, em que pelo menos parte da energia é reciclada e utilizada na planta hospedeira; em que pelo menos parte do dito CO2 e/ou H2O é reciclada e utilizada no dito sistema de reator como um agente de ativação; e em que pelo menos uma porção do carvão ativado é usada como carvão ativado interno que é utilizado dentro da planta hospedeira ou para auxiliar na geração de biomassa nova.
[074]Em algumas modalidades, o carvão ativado interno é utilizado na planta hospedeira para purificar os um ou mais produtos primários. Em algumas modalidades, o carvão ativado interno é utilizado na planta hospedeira para purificar água. Nessas e em outras modalidades, o carvão ativado interno é utilizado na planta hospedeira para tratar uma corrente de resíduo líquido para reduzir as emissões de fase líquida e/ou para tratar uma corrente de resíduo em vapor para reduzir as emissões de ar. Em algumas modalidades, o carvão ativado interno é utilizado como uma correção de solo para auxiliar geração de nova biomassa, que pode ser do mesmo tipo de biomassa utilizada como matéria-prima local na planta hospedeira.
[075]Em algumas modalidades, a matéria-prima compreende biomassa, hulha ou uma mistura de biomassa e hulha. O termo “biomassa”, para propósitos dessa revelação, deve ser construído como qualquer matéria-prima biogênico ou mistura de uma matéria-prima biogênica e não biogênico. De modo elementar, a biomassa inclui pelo menos carbono, hidrogênio e oxigênio. Os métodos e aparelhos da revelação podem acomodar uma ampla faixa de matérias-primas de vários tipos, tamanhos e teores de umidade.
[076]A biomassa pode incluir, por exemplo, planta e material derivado de plantas, vegetação, resíduos agrícolas, resíduos florestais, madeira, resíduo de madeira, papel, resíduo de papel, resíduo derivado de animal, resíduo derivado de aves e resíduos sólidos urbanos. Em várias modalidades da revelação da utilização de biomassa, a matéria-prima de biomassa pode incluir um ou mais materiais selecionados a partir de: lignina, resíduos da extração de madeira, lascas de madeira macia, lascas de madeira dura, ramos de árvore, pedaços de tronco de árvore, nós, folhas, cortiça, serragem, celulose de papel rejeitado, celulose, milho, palha de milho, palha de trigo, palha de arroz, bagaço de cana-de-açúcar, painço, miscanto, estrume de animal, lixo municipal, esgoto humano, resíduo comercial, cinza contendo carbono (tal como, derivada de combustão incompleta de biomassa), bagaço de uva, nozes, frutos secos, nozes de fruta, cascas de noz, cascas de amêndoa, cascas de noz-peça, cascas de coco, grãos de café, péletes de grama, péletes de feno, péletes de madeira, papelão, papel, carboidratos, plástico e roupa. Em algumas modalidades, a biomassa compreende, consiste essencialmente em ou consiste em um ou mais derivados produzidos a partir da matéria-prima de biomassa. Em algumas modalidades, a biomassa é obtida a partir de uma fonte; em outras modalidades, a biomassa é obtida a partir de uma pluralidade de fontes de biomassa. Uma pessoa de habilidade comum na técnica apreciará prontamente que as opções de matéria-prima são virtualmente ilimitadas.
[077]Algumas modalidades da presente revelação também são úteis para o processamento de matérias-primas contendo carbono diferente de biomassa, tal como, um combustível fóssil (por exemplo, coque de hulha ou petróleo) ou quaisquer misturas de biomassa e combustíveis fósseis (tal como, blendas de biomassa/hulha). Em algumas modalidades, uma matéria-prima biogênica é, ou inclui, hulha, xisto betuminoso, óleo cru, asfalto ou sólidos de processamento do óleo bruto (tal como coque de petróleo). As matérias-primas podem incluir pneus de resíduo, plásticos reciclados, papel reciclado e outros materiais reciclados ou de resíduo. Qualquer método, aparelhos ou sistema descritos no presente documento podem ser usados com qualquer matéria-prima carbonácea. As matérias-primas contendo carbono podem ser transportáveis por quaisquer meios conhecidos, tal como por caminhão, trem, navio, balsa, trator-reboque ou qualquer outro veículo ou quaisquer meios de conveniência.
[078]A seleção de uma matéria-prima ou matérias-primas particulares não é considerada tecnicamente crítica, mas é executada de uma maneira que tende a fa-vorecer um processo econômico. Tipicamente, independentemente das matérias-pri-mas escolhidas, a mesma pode ser (em algumas modalidades) triagem para remover os materiais indesejáveis. A matéria-prima pode ser opcionalmente seca antes do processamento. A matéria-prima pode ser uma matéria-prima úmida.
[079]A matéria-prima empregada pode ser fornecida ou processada em uma ampla variedade de formatos e tamanhos de partícula. Por exemplo, o material ali- mentador pode ser um pó fino ou uma mistura de partículas grossas e finas. O material alimentador pode estar na forma de grandes partes de material, tal como lascas de madeira ou outras formas de madeira (por exemplo, arredondada, cilíndrica, quadrada, etc.). Em algumas modalidades, o material alimentador compreende péletes ou outras formas aglomeradas de partículas que foram pressionadas juntamente ou de outro modo ligadas, tal como com um ligante.
[080]Os sistemas de reator configurados para pirolisar e ativar as matérias- primas contendo carbono, serão agora descritos em detalhes adicionais.
[081]Em algumas modalidades, o sistema de reator é configurado para executar um processo contínuo para produzir carvão ativado, em que o processo compreende: (a) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b) em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, colocar, me-canicamente contra a corrente, os um ou mais coprodutos em contato com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, para gerar sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (c) remover a pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (d) reciclar pelo menos uma porção da dita corrente de vapor separada ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os ditos um ou mais coprodutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) dita(s) zona(s) de reação; e (e) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
[082]Nota-se que a redução de tamanho é um processo dispendioso e intensivo em energia. O material pirolisado pode ser dimensionado com entrada de energia significativamente baixa, isto é, pode ter uma energia mais eficaz para reduzir o tamanho de partícula do produto, não da matéria-prima. Isso é uma opção na presente revelação devido ao fato de que o processo não exige um material de partida fino e não há necessariamente qualquer redução de tamanho de partícula durante o processamento. A presente revelação fornece a capacidade para processar partes muito grandes de matéria-prima. Notavelmente, algumas aplicações do mercado do produto de carvão ativado atualmente exigem grandes tamanhos (por exemplo, na ordem de centímetros), de modo que em algumas modalidades, grandes partes sejam alimentadas, produzidas e vendidas. Deve ser apreciado que, embora não necessário em todas as modalidades dessa revelação, o dimensionamento menor resultou em números de carbono fixo maiores sob condições de processo similares e pode ser utili-zado em algumas aplicações que exigem tipicamente produtos pequenos de carvão ativado dimensionado e/ou maior teor de carbono fixo.
[083]Quando se deseja produzir um produto de carvão ativado biogênico car- bonáceo final que tem integridade estrutural, tal como na forma de cilindros, são pelo menos duas opções no contexto dessa revelação. Primeira opção, o material produzido a partir do processo é coletado e então adicionalmente processado de modo mecânico na forma desejada Por exemplo, o produto é prensado ou peletizado, com um ligante. A segunda opção é para utilizar materiais alimentados que geralmente possuem o tamanho e/ou formato desejados para o produto final e empregam as etapas de processamento que não destroem a estrutura básica de o material alimentador. Em algumas modalidades, o alimentador e o produto têm formatos geométricos similares, tal como esferas, cilindros ou cubos.
[084]A capacidade de manter o formato de material alimentador aproximado por todo o processo é benéfica quando a resistência do produto é importante. Além disso, esse controle evita a dificuldade e o custo de peletização de materiais com alto teor de carbono fixo.
[085]Há um grande número de opções como para intermediar as correntes de entrada e de saída (purga ou sonda) de um ou mais fases presentes em qualquer reator particular, vários esquemas de reciclagem de energia e massa, vários aditivos que podem ser introduzidos em qualquer parte no processo, capacidade de ajuste de condições de processo que incluem condições tanto de reação quanto de separação a fim de personalizar as distribuições de produto e assim por diante. As correntes de entrada e saída específicas de reator e zona permitem bom controle e monitoramento de processo, tal como através de ajustes de processo dinâmico e de amostragem de FTIR.
[086]Quaisquer referências às “zonas” devem ser amplamente construídas para incluir regiões de espaço dentro de uma única unidade física, unidades fisicamente separadas ou qualquer combinação dos mesmos. A demarcação de zonas pode se referir à estrutura, tal como a presença de hélices ou elementos de aquecimento distintos fornecer calor às zonas separadas. Alternativa ou adicionalmente, em várias modalidades, a demarcação de zonas se refere à função, tal como pelo menos: temperaturas distintas, padrões de fluxo de fluido, padrões de fluxo de sólido e extensão de reação. Em um reator de batelada único, as “zonas” estão operando em regimes de tempo, em vez de em regimes de espaço. Será apreciado não há necessariamente transições repentinas de uma zona para uma outra zona.
[087]Todas as referências às temperaturas de zona neste relatório descritivo devem ser construídas de uma maneira não limitadora para incluir temperaturas que podem se aplicar aos sólidos a granel presentes ou à fase gasosa ou às paredes de reator (no lado de processo). Será entendido que será um gradiente de temperatura em cada zona, tanto axial quanto radialmente, bem como temporalmente (isto é, seguindo inicialização ou devido aos transientes). Desse modo, as referências às temperaturas de zona podem ser referências às temperaturas médias ou outras temperaturas eficazes que podem influenciar as cinéticas atuais. As temperaturas podem ser diretamente medidas por termopares ou outras sondas de temperatura ou indiretamente medidas ou estimadas por outros meios.
[088]Vários padrões de fluxo podem ser desejados ou observados. Com reações químicas e separações simultâneas que envolvem múltiplas fases em múltiplas zonas, as dinâmicas de fluido podem ser um pouco complexas. Tipicamente, o fluxo de sólidos pode se aproximar do fluxo pistonado (bem misturado na dimensão radial) enquanto o fluxo de vapor pode se aproximar do fluxo completamente misturado (transporte rápido em dimensões tanto radial quanto axial). As múltiplas portas de entrada e saída para vapor podem contribuir com a mistura gera.
[089]Uma etapa opcional de separação de pelo menos uma porção dos vapores condensáveis e pelo menos uma porção dos gases não condensáveis a partir dos sólidos pirolisados quentes pode ser realizada no próprio reator ou com o uso de uma unidade de separação distinta. O gás de varredura substancialmente inerte pode ser introduzido em uma ou mais das zonas. Os vapores condensáveis e gases não condensáveis são então conduzidos na direção contrária da(s) zona(s) no gás de varredura.
[090]O gás de varredura pode ser N2, Ar, CO, CO2, H2, H2O, CH4, outros hi- drocarbonetos leves ou combinações dos mesmos, por exemplo. O gás de varredura pode, primeiro, ser preaquecido antes da introdução ou possivelmente resfriado se for obtido a partir de uma fonte aquecida.
[091]O gás de varredura remove mais completamente os componentes voláteis, fazendo com que saiam do sistema antes que os mesmos possam condensar ou ainda reagir. O gás de varredura permite que os líquidos voláteis sejam removidos em taxas mais altas do que seria meramente alcançado a partir da volatização em uma determinada temperatura de processo. Ou, o uso do gás de varredura permite que temperaturas mais amenas sejam usadas para remover uma certa quantidade de líquidos voláteis. A razão de o gás de varredura aprimorar a remoção de líquidos voláteis é que o mecanismo de separação não tem volatilidade meramente relativa, mas, de preferência, desengate de fase líquida/de vapor auxiliado pelo gás de varredura. O gás de varredura pode tanto reduzir as limitações de transferência de massa de vola- tização quanto reduzir as limitações termodinâmicas pela depleção de modo contínuo de uma determinada espécie volátil, para fazer com que mais do mesmo vaporize para alcançar o equilíbrio termodinâmico.
[092]É importante remover gases carregados com carbono orgânico volátil dos estágios de processamento subsequentes, a fim de produzir um produto com alto teor de carbono fixo. Sem a remoção, o carbono volátil pode adsorver ou absorver os sólidos pirolisados, exigindo, desse modo, que a energia adicional (custo) alcance uma forma mais pura de carbono que pode ser desejado. Pela remoção de vapores de modo rápido, especula-se também que a porosidade pode ser melhorada nos sólidos de pirolização.
[093]Em certas modalidades, o gás de varredura em conjunto com uma pressão de processo relativamente baixa, tal como, pressão atmosférica, fornecem remoção de vapor rápida sem grandes quantidades de gás inerte necessárias.
[094]Em algumas modalidades, o gás de varredura flui em contracorrente para a direção de fluxo de matéria-prima. Em outras modalidades, o gás de varredura flui de modo concorrente para a direção de fluxo de matéria-prima. Em algumas modalidades, o padrão de fluxo de sólidos se aproxima do fluxo pistonado enquanto o padrão de fluxo do gás de varredura e fase gasosa geralmente, se aproxima do fluxo completamente misturado em um ou mais zonas.
[095]A varredura pode ser realizada em quaisquer uma ou mais zonas. Em algumas modalidades, o gás de varredura é introduzido na zona de resfriamento e extraído (juntamente com líquidos voláteis produzidos) das zonas de resfriamento e/ou de pirólise. Em algumas modalidades, o gás de varredura é introduzido na zona de pirólise e extraído das zonas de pirólise e/ou pré-aquecimento. Em algumas modalidades, o gás de varredura é introduzido na zona de pré-aquecimento e extraído da zona de pirólise. Nessas e em outras modalidades, o gás de varredura pode ser introduzido em cada uma dentre a zona de pré-aquecimento, zona de pirólise e zona de resfriamento e também extraído de cada uma das zonas.
[096]O gás de varredura pode ser introduzido de modo contínuo, especialmente quando o fluxo de sólido é contínuo. Quando a reação de pirólise é operada como um processo de batelada, o gás de varredura pode ser introduzido após uma certa quantidade de tempo ou periodicamente, para remover os líquidos voláteis. Mesmo quando a reação de pirólise for operada continuamente, o gás de varredura pode ser introduzido semicontínua ou periodicamente, se for desejado, com controles e válvulas adequados.
[097]O gás de varredura contendo líquidos voláteis pode sair de uma ou mais zonas e pode ser combinado se obtido a partir das múltiplas zonas. O gás corrente resultante, que contém vários vapores, pode então ser alimentado para um aquecedor de gás de processo para o controle de emissões de ar. Qualquer unidade de oxidação térmica conhecida pode ser empregada. Em algumas modalidades, o aquecedor de gás de processo é alimentado com gás natural e ar, para alcançar temperaturas suficientes para destruição substancial de líquidos voláteis contidos no mesmo.
[098]O efluente do aquecedor de gás de processo será uma corrente de gás quente que compreende água, dióxido de carbono e nitrogênio. Essa corrente de efluente pode ser purgada diretamente das emissões de ar, se for desejado. Em algumas modalidades, o teor de energia do efluente de aquecedor de gás de processo é recuperado, tal como, em uma unidade de recuperação de calor de resíduo. O teor de energia também pode ser recuperado pelo trocador de calor com uma outra corrente (tal como, o gás de varredura). O teor de energia pode ser utilizado pelo aquecimento direto ou indiretamente ou pelo auxílio com o aquecimento, uma unidade em qualquer parte no processo, tal como o secador ou o reator. Em algumas modalidades, essencialmente todo o efluente de aquecedor de gás de processo é empregado para aquecimento indireto (lado de utilidade) do secador. O aquecedor de gás de processo pode empregar outros combustíveis diferentes do gás natural.
[099]Os sólidos carbonáceos podem ser introduzidos em um resfriador. Em algumas modalidades, os sólidos são coletados e permite-se simplesmente que resfriem em taxas lentas. Se os sólidos carbonáceos forem reativos ou instáveis no ar, pode ser desejável manter uma atmosfera inerte e/ou resfriar rapidamente os sólidos para, por exemplo, uma temperatura menor do que 40 °C, tal como, temperatura ambiente. Em algumas modalidades, um arrefecimento de água é empregado para resfriamento rápido. Em algumas modalidades, um resfriador de leito fluidizado é empregado. Um “resfriador” deve ser amplamente construído também para incluir recipientes, tanques, tubos ou porções do mesmo.
[0100]Em algumas modalidades, o processo compreende adicionalmente operar o resfriador para resfriar os sólidos pirolisados quentes com vapor d'água, gerando, desse modo, os sólidos pirolisados de resfriamento e vapor d'água superaquecido; em que a secagem é executada, pelo menos em parte, com o vapor d'água superaquecido derivado do resfriador. Opcionalmente, o resfriador pode ser operado, primeiro, para resfriar os sólidos pirolisados quentes com vapor d'água para atingir uma primeira temperatura de resfriador e então, com o ar, atingir uma segunda temperatura de resfriador, em que a segunda temperatura de resfriador é menor do que a primeira temperatura de resfriador e está associada a um risco de combustão reduzido para os sólidos pirolisados quentes na presença do ar.
[0101]Após o resfriamento em condições ambientes, os sólidos carbonáceos podem ser recuperados e armazenados, conduzidos para uma outra operação de local, transportados para um outro local ou de outro modo dispostos, tratados ou vendidos. Os sólidos podem ser alimentados para uma unidade para reduzir o tamanho de partícula. Uma variedade de unidades de redução de tamanho é conhecida na técnica, que inclui esmagadoras, trituradores, moedores, pulverizadores, fresadoras de jato, fresadoras de pino e fresadoras de ponta esférica.
[0102]A triagem ou algum outro meio para separação com base no tamanho de partícula pode estar incluído. A triagem pode ser a montante ou a jusante de es- merilamento, se estiver presente. Uma porção do material submetido à triagem (por exemplo, grandes partes) pode ser retornada para a unidade de esmerilamento. As partículas pequenas e grandes podem ser recuperadas para usos a jusante separados. Em algumas modalidades, os sólidos pirolisados resfriados são aterrados em um pó fino, tal como, um produto de carvão ativado ou carbono pulverizado ou resistência aumentada.
[0103]Vários aditivos podem ser introduzidos durante todo o processo, antes, durante ou depois de qualquer etapa revelada no presente documento. Os aditivos podem ser amplamente classificados como aditivos de processo, selecionados para aprimorar o desempenho de processo tal como rendimento de carbono ou tempo/tem- peratura de pirólise para alcançar a pureza de carbono desejada; e produto aditivos, selecionados para aprimorar uma ou mais propriedades do carvão ativado biogênico ou um produto a jusante que incorpora o reagente. Certos aditivos podem fornecer características de produto e processo melhoradas, tal como rendimento geral do produto de carvão ativado biogênico comparado à quantidade de matéria-prima de biomassa.
[0104]O aditivo pode ser adicionado em qualquer tempo adequado durante o processo total. Por exemplo e sem limitação, o aditivo pode ser adicionado antes, durante ou após uma etapa de secagem de matéria-prima; antes, durante ou após uma etapa de desaeração de matéria-prima; antes, durante ou após uma etapa de combustão; antes, durante ou após uma etapa de pirólise; antes, durante ou após uma etapa de separação; antes, durante ou após qualquer etapa de resfriamento; antes, durante ou após uma etapa de recuperação de carvão ativado biogênico; antes, durante ou após uma etapa de pulverização; antes, durante ou após uma etapa de dimensionamento; e/ou antes, durante ou após uma etapa de embalagem. Os aditivos podem ser incorporados em ou sobre as instalações de suprimento de matéria-prima, caminhões de transporte, equipamento de descarregamento, caixas de armazenamento, condutores (incluindo condutores aberto ou fechado), secadores, aquecedores de processo ou quaisquer outras unidades. Os aditivos podem ser adicionados em qualquer parte no próprio processo de pirólise, com uso de meios adequados para introduzir aditivos. Os aditivos podem ser adicionados após a carbonização ou até mesmo após a pulverização, se for desejado.
[0105]Em algumas modalidades, um aditivo é selecionado a partir de um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal ou uma combinação dos mesmos. Por exemplo, um aditivo pode ser selecionado a partir de, mas não se limita a, magnésio, manganês, alumínio, níquel, crômio, silício, boro, cério, molibdênio, fósforo, tungstê- nio, vanádio, haleto de ferro, cloreto de ferro, brometo de ferro, óxido de magnésio, dolomita, cal dolomítica, fluorita, fluorospar, bentonita, óxido de cálcio, cal e combinações dos mesmos.
[0106]Em algumas modalidades, um aditivo é selecionado a partir de um ácido, uma base ou um sal do mesmo. Por exemplo, um aditivo pode ser selecionado a partir de, mas não é limitado a, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, óxido de magnésio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, silicato de sódio, permanga- nato de potássio, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido cítrico) ou combinações dos mesmos.
[0107]Em algumas modalidades, um aditivo é selecionado a partir de um ha- leto de metal. Os haletos metálicos são compostos entre metais e halogênios (flúor, cloro, bromo, iodo e astato). Os halogênios podem formar muitos compostos com metais. Os haletos metálicos são geralmente obtidos pela combinação direta ou mais comumente, neutralização de sal de metal básico com um ácido halídrico. Em algumas modalidades, um aditivo é selecionado a partir de haleto de ferro (FeX2 e/ou FeX3), cloreto de ferro (FeCl2 e/ou FeCl3), brometo de ferro (FeBr2 e/ou FeBr3), ou hidratos dos mesmos e quaisquer combinações dos mesmos.
[0108]Em algumas variações, uma composição de carvão ativado biogênico compreende, em uma base seca: 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; 0,2% em peso ou menos de enxofre; um aditivo selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos.
[0109]Em algumas modalidades, o aditivo compreende iodo ou um composto de iodo ou uma combinação de iodo e um ou mais compostos de iodo. Quando o aditivo compreende iodo, o mesmo pode estar presente na composição de carvão ativado biogênico como I2 molecular absorvido ou intercalado, como I2 molecular física ou quimicamente adsorvido, como I atômico absorvido ou intercalado, como I atômico física ou quimicamente adsorvido ou qualquer combinação dos mesmos.
[0110]Quando o aditivo compreende um ou mais compostos de iodo, o mesmo pode ser selecionado a partir do grupo que consiste em íon de iodeto, iodeto de hidrogênio, um sal de iodeto, um iodeto metálico, iodeto de amônio, um óxido de iodeto, íon de tri-iodeto, um sal de tri-iodeto, um tri-iodeto metálico, tri-iodeto de amônio, íon de iodato, um sal de iodato, um poli-iodeto, iodofórmio, ácido iódico, iodeto de metila, um hidrocarboneto iodado, ácido periódico, ácido ortoperiódico, ácido metaperiódico e combinações, sais, ácidos, bases ou derivados dos mesmos.
[0111]Em algumas modalidades, o aditivo compreende iodo ou um composto de iodo ou uma combinação de iodo e um ou mais compostos de iodo, opcionalmente dissolvidos em um solvente. Os vários solventes para iodo ou compostos de iodo são conhecidos na técnica. Por exemplo, haletos de alquila tal como (mas não limitado a) brometo de n-propila ou iodeto de n-butila podem ser empregados. Os álcoois tal como metanol ou etanol podem ser usados. Em algumas modalidades, uma tintura de iodo pode ser empregada para introduzir o aditivo na composição.
[0112]Em algumas modalidades, o aditivo compreende iodo que é introduzido como um sólido que sublima para vapor de iodo para incorporação na composição de carvão ativado biogênico. Em temperatura ambiente, o iodo é um sólido. Mediante o aquecimento, o iodo sublima em um vapor. Desse modo, as partículas de iodo sólido podem ser introduzidas em qualquer corrente, vaso, tubo ou recipiente (por exemplo, um barril ou uma bolsa) que também contém a composição de carvão ativado biogê- nico. Mediante o aquecimento, as partículas de iodo sublimarão e o vapor de I2pode penetrar nas partículas de carbono, incorporando, desse modo, o iodo como um aditivo na superfície das partículas e potencialmente dentro das partículas.
[0113]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para reduzir emissões, em que o método compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreende uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer uma corrente de emissões de fase gasosa que compreende pelo menos um contaminante selecionado; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção do contaminante selecionado a partir da corrente de emissões de fase gasosa; (d) introduzir as partículas de carvão ativado e o aditivo na corrente de emissões de fase gasosa, para adsorver pelo menos uma porção do contaminante selecionado nas partículas de carvão ativado, gerando, desse modo, partículas de carbono com contaminante absorvido dentro da corrente de emissões de fase gasosa; e (e) separar pelo menos uma porção das partículas de carbono com contami- nante absorvido a partir da corrente de emissões de fase gasosa, para produzir uma corrente de emissões de fase gasosa reduzida por contaminante.
[0114]Em algumas modalidades, a composição de carvão ativado biogênico compreende 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; e 0,2% em peso ou menos de enxofre. O aditivo pode ser fornecido como parte das partículas de carvão ativado. Alternativa ou adicionalmente, o aditivo pode ser introduzido diretamente na corrente de emissões de fase gasosa.
[0115]O aditivo (para auxiliar na remoção do contaminante selecionado a partir da corrente de emissões de fase gasosa) pode ser selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o aditivo compreende iodo ou um composto de iodo ou uma combinação de iodo e um ou mais compostos de iodo, opcionalmente dissolvidos em um solvente.
[0116]Em algumas modalidades, o contaminante selecionado é um metal, tal como um metal selecionado a partir do grupo que consiste em mercúrio, boro, selênio, arsênico e qualquer composto, sal e mistura dos mesmos. Em algumas modalidades, o contaminante selecionado é um poluente nocivo ao ar ou um composto orgânico volátil. Em algumas modalidades, o contaminante selecionado é um gás não conden- sável selecionado a partir do grupo que consiste em óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, metano, etano, etileno, ozônio, amônia e combinações dos mesmos.
[0117]Em algumas modalidades, as partículas de carbono com contaminante absorvido incluem, na forma absorvida, adsorvida ou reagida, pelo menos um, dois, três ou todos os contaminantes selecionado a partir do grupo que consiste em dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio, mercúrio e dióxido de enxofre.
[0118]Em algumas modalidades, a corrente de emissões de fase gasosa é derivada da combustão de um combustível que compreende a composição de carvão ativado biogênico. Em certas modalidades, a corrente de emissões de fase gasosa é derivada da combustão simultânea de hulha e da composição de carvão ativado bio- gênico.
[0119]Em algumas modalidades, a separação na etapa (e) compreende filtração, que pode, por exemplo, utilizar filtros de tecido. Em algumas modalidades, a separação na etapa (e) compreende a precipitação eletrostática. O esfregamento (que inclui esfregamento seco ou úmido) também pode ser empregado. Opcionalmente, as partículas de carbono com contaminante absorvido podem ser tratadas para regenerar as partículas de carvão ativado. Em algumas modalidades, as partículas de carbono com contaminante absorvido são termicamente oxidadas de modo catalítico ou não catalítico. As partículas de carbono com contaminante absorvido ou uma forma regenerada do mesmo, podem ser queimadas para fornecer energia e/ou gaseificadas para fornecer gás de síntese.
[0120]Em algumas variações, um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para reduzir emissões de mercúrio, compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreendem uma composição de carvão ativado biogênico que inclui um aditivo que compreende iodo ou um composto contendo iodo; (b) fornecer uma corrente de emissões de fase gasosa que compreende mercúrio; (c) introduzir as partículas de carvão ativado na corrente de emissões de fase gasosa, para adsorver pelo menos uma porção do mercúrio sobre as partículas de carvão ativado, gerando, desse modo, as partículas de carbono com mercúrio absorvido dentro da corrente de emissões de fase gasosa; e (d) separar pelo menos uma porção das partículas de carbono com mercúrio absorvido da corrente de emissões de fase gasosa com uso da precipitação eletrostática, para produzir uma corrente de emissões de fase gasosa de mercúrio reduzido.
[0121]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um processo para produção de energia que compreende: (a) fornecer uma matéria-prima que contém carbono que compreende uma composição de carvão ativado biogênico; e (b) oxidar a matéria-prima que contém carbono para gerar a energia e uma corrente de emissões de fase gasosa, em que a presença da composição de carvão ativado biogênico dentro da matéria-prima que contém carbono é eficaz para adsorver pelo menos um contami- nante produzido como um subproduto da oxidação ou derivado da matéria-prima que contém carbono, reduzindo, desse modo, as emissões do contaminante, e em que a composição de carvão ativado biogênico inclui adicionalmente um aditivo que é selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos.
[0122]Em algumas modalidades, o contaminante ou um precursor do mesmo, está contido dentro da matéria-prima que contém carbono. Em algumas modalidades, o contaminante é produzido como um subproduto da oxidação. Em várias modalidades, a matéria-prima que contém carbono compreende adicionalmente biomassa, hulha ou uma outra matéria-prima carbonácea.
[0123]O contaminante selecionado pode ser um metal selecionado a partir do grupo que consiste em mercúrio, boro, selênio, arsênico e qualquer composto, sal e mistura dos mesmos; um poluente nocivo ao ar; um composto orgânico volátil; ou um gás não condensável selecionado a partir do grupo que consiste em óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, metano, etano, etileno, ozônio, amônia; e combinações dos mesmos.
[0124]Em algumas variações, um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para purificar um líquido, compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreende uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer um líquido que compreende pelo menos um contaminante selecionado; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção do contaminante selecionado do líquido; e (d) colocar o líquido em contato com as partículas de carvão ativado e o aditivo, para adsorver pelo menos uma porção do pelo menos um contaminante selecionado em relação às partículas de carvão ativado, gerando, desse modo, partículas de carbono com contaminante absorvido e um líquido com contaminante reduzido.
[0125]A composição de carvão ativado biogênico compreende, em algumas modalidades, 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; e 0,2% em peso ou menos de enxofre.
[0126]O aditivo pode ser fornecido como parte das partículas de carvão ativado e/ou introduzido diretamente no líquido. O aditivo pode ser selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos.
[0127]Em algumas modalidades, o aditivo compreende iodo que está presente na composição de carvão ativado biogênico como I2 molecular absorvido ou intercalado, I2 molecular física ou quimicamente adsorvido, I atômico absorvido ou intercalado, I atômico física ou quimicamente adsorvido ou intercalado ou uma combinação dos mesmos.
[0128]Em algumas modalidades, o aditivo compreende um composto contendo iodo, tal como (mas não limitado a) um composto contendo iodo que é selecionado a partir do grupo que consiste em íon de iodeto, iodeto de hidrogênio, um sal de iodeto, um iodeto metálico, iodeto de amônio, um óxido de iodeto, íon de tri-iodeto, um sal de tri-iodeto, um tri-iodeto metálico, tri-iodeto de amônio, íon de iodato, um sal de iodato, um poli-iodeto, iodofórmio, ácido iódico, iodeto de metila, um hidrocarboneto iodado, ácido periódico, ácido ortoperiódico, ácido metaperiódico e combinações, sais, ácidos, bases ou derivados dos mesmos.
[0129]Os aditivos podem resultar em um produto final com maior teor de energia (densidade de energia). Um aumento no teor de energia pode resultar de um aumento do carbono total, carbono fixo, carbono volátil ou até mesmo hidrogênio. Alternativa ou adicionalmente, o aumento do teor de energia pode resultar da remoção de matéria incombustível ou de material que tem densidade de energia menor do que o carbono. Em algumas modalidades, os aditivos reduzem a extensão de formação de líquido, a favor da formação de sólido e gás ou a favor da formação de sólido.
[0130]Em várias modalidades, os aditivos quimicamente modificam a biomassa de partida ou a biomassa tratada antes da pirólise, para reduzir a ruptura das paredes celulares para maior resistência/integridade. Em algumas modalidades, os aditivos podem aumentar o teor de carbono fixo de matéria-prima de biomassa antes da pirólise.
[0131]Os aditivos podem resultar em um produto final de carvão ativado bio- gênico com propriedades mecânicas aprimoradas, tal como, limite de elasticidade, resistência compressiva, resistência à tração, resistência à fadiga, resistência ao impacto, módulo elástico, módulo aparente ou módulo de cisalhamento. Os aditivos podem aprimorar as propriedades mecânicas por estarem simplesmente presentes (por exemplo, o próprio aditivo confere resistência à mistura) ou devido a alguma transformação que ocorre dentro da fase de aditivo ou dentro da mistura resultante. Por exemplo, as reações tal como vitrificação podem ocorrer dentro de uma porção do produto de carvão ativado biogênico que inclui o aditivo, aprimorando, desse modo, a resistência final.
[0132]Os aditivos químicos podem ser aplicados às matérias-primas de biomassa secas ou úmidas. Os aditivos podem ser aplicados como um pó sólido, uma aspersão, uma névoa, um líquido ou um vapor. Em algumas modalidades, os aditivos podem ser introduzidos através da aspersão de uma solução líquida (tal como uma solução aquosa ou em um solvente) ou pela imersão em tanques, caixas, bolsas ou outros recipientes.
[0133]Em certas modalidades, o pré-tratamento por imersão é empregado em que a matéria-prima sólida é submersa em um banho que compreende o aditivo, descontínuo ou continuamente, por um tempo suficiente para permitir a penetração do aditivo no material alimentador de sólido.
[0134]Em algumas modalidades, os aditivos aplicados na matéria-prima podem reduzir as exigências de energia para a pirólise e/ou aumentar o rendimento do produto carbonáceo. Nessas e em outras modalidades, os aditivos aplicados na matéria-prima podem fornecer funcionalidade que é desejada para o uso pretendido do produto carbonáceo, conforme será adicionalmente descrito abaixo em relação às composições.
[0135]Em algumas modalidades, o processo para produção um carvão ativado biogênico compreende adicionalmente uma etapa de dimensionamento (por exemplo, sorteamento, triagem, classificação, etc.) dos sólidos pirolisados quentes ou frios para formar sólidos pirolisados dimensionados. Os sólidos pirolisados dimensionados podem então ser usados em aplicações que exigem um produto de carvão ativado que tem um certo tamanho de partícula característico.
[0136]O volume de processamento ou a capacidade de processo, pode variar amplamente a partir de pequenas unidades em escala de laboratório para biorrefina- rias em escala comercial total, que incluem qualquer escala semicomercial, demonstração ou piloto. Em várias modalidades, a capacidade de processo é pelo menos cerca de 1 kg/dia, 10 kg/dia, 100 kg/dia, 1 tonelada/dia (todas as toneladas são toneladas métricas), 10 toneladas/dia, 100 toneladas/dia, 500 toneladas/dia, 1.000 tonela- das/dia, 2.000 toneladas/dia ou mais.
[0137]As correntes de gás, líquido ou sólido produzidas ou que existem dentro do processo podem ser independentemente recicladas, passadas para etapas subsequentes ou removidas/purgadas do processo em qualquer ponto.
[0138]As saídas de gás (sondas) permitem monitoramento de processo preciso e controle através de vários estágios do processo, até e incluindo potencialmente todos os estágios do processo. O monitoramento de processo preciso seria esperado para resultar em aprimoramentos de rendimento e eficiência, tanto dinamicamente quanto ao longo de um período de tempo quando o histórico operacional pode ser utilizado para ajustar as condições de processo.
[0139]Em algumas modalidades, uma sonda de gás de reação está disposta em comunicação operável com uma zona de processo. Tal sonda de gás de reação pode ser útil para extrair gases e analisar os mesmos, a fim de determinar a extensão da reação, seletividade de pirólise ou outro monitoramento de processo. Desse modo, com base na medição, o processo pode ser controlado ou ajustado em diversas maneiras, tal como pelo ajuste da taxa de alimentação, taca de varredura de gás inerte, temperatura (de uma ou mais zonas), pressão (de uma ou mais zonas), aditivos e assim por diante.
[0140]Conforme destinado no presente documento, “monitoramento e controle” através de sondas de gás de reação devem ser construídos para incluir quaisquer uma ou mais extrações de amostra através de sondas de gás de reação e opcionalmente produzir ajustes de equipamento e processo com base nas medições, se for considerado necessário ou desejável, com uso de princípios bem conhecidos de controle de processo (retroalimentação, alimentação avante, logica proporcional-integral-derivativa, etc.).
[0141]Uma sonda de gás de reação pode ser configurada para extrair amostras de gás em diversas maneiras. Por exemplo, uma linha de amostragem pode ter uma pressão mais baixa do que a pressão de reator de pirólise, de modo que quando a linha de amostragem é aberta, uma quantidade de gás pode ser prontamente extraída da zona de pirólise. A linha de amostragem pode ser sob vácuo, tal como quando a zona de pirólise está próxima da pressão atmosférica. Tipicamente, uma sonda de gás de reação estará associada a uma saída de gás ou uma porção da mesma (por exemplo, uma separação de linha a partir de uma linha de saída de gás).
[0142]Em algumas modalidades, tanto uma entrada de gás quanto uma saída de gás são utilizadas como uma sonda de gás de reação introduzindo-se de modo periódico um gás inerte em uma zona e puxando-se o gás inerte com uma amostra de processo fora da saída de gás (“varredura de amostra”). Tal disposição pode ser usada em uma zona que, de outro modo, não tem uma entrada/saída de gás para o gás substancialmente inerte para processamento ou, a sonda de gás de reação pode estar associada a uma entrada/saída de gás separada que é adicionalmente para processar as entradas e saídas. Um gás inerte de amostragem que é introduzido e extraído periodicamente para amostragem (em modalidades que utilizam varreduras de amostra) ainda pode ser diferente do gás inerte de processo, se for desejado, por razões de precisão na análise ou para introduzir um rastreador analítico.
[0143]Por exemplo, a concentração de ácido acético na fase gasosa pode ser medida com uso de uma sonda de gás para extrair uma amostra, que é então analisada com o uso de uma técnica adequada (tal como, cromatografia gasosa, GC; es- pectroscopia de massa, MS; GC-MS ou espectroscopia infravermelha transformada de Fourier, FTIR). A concentração de CO e/ou CO2 na fase gasosa pode ser medida e usada como uma indicação da seletividade de pirólise para gases/vapores, por exemplo. A concentração de terpeno na fase gasosa pode ser medida e usada como uma indicação da seletividade de pirólise para líquidos e assim por diante.
[0144]Em algumas modalidades, o sistema compreende adicionalmente pelo menos uma sonda de gás adicional disposta em comunicação operável com a zona de resfriamento ou com a zona de secagem (se estiver presente) ou a zona de pré- aquecimento (se estiver presente).
[0145]Uma sonda de gás para a zona de resfriamento pode ser útil para determinar o momento em que qualquer química adicional ocorre na zona de resfriamento, por exemplo. Uma sonda de gás na zona de resfriamento também pode ser útil como uma medição independente da temperatura (além de, por exemplo, um termopar disposto na zona de resfriamento). Essa medição independente pode ser uma correlação de temperatura de resfriamento com uma quantidade medida de uma certa espécie. A correlação pode ser desenvolvida de modo separado ou pode ser estabelecida após algum período de operação de processo.
[0146]Uma sonda de gás para a zona de secagem pode ser útil para determinar o momento de secagem, pela medição do teor de água, por exemplo. Uma sonda de gás na zona de pré-aquecimento pode ser útil para determinar o momento em que qualquer pirólise moderada ocorre, por exemplo.
[0147]Em algumas modalidades da revelação, o sistema inclui adicionalmente um aquecedor de gás de processo disposto em comunicação operável com a saída na qual os vapores condensáveis e gases não condensáveis são removidos. O aquecedor de gás de processo pode ser configurado para receber um combustível separado (tal como, gás natural) e um oxidante (tal como, ar) em uma câmara de combustão, adaptada para combustão do combustível e pelo menos uma porção dos vapores condensáveis. Certos gases não condensáveis também podem ser oxidados, tal como CO ou CH4, para CO2.
[0148]Quando um aquecedor de gás de processo é empregado, o sistema pode incluir um trocador de calor disposto entre o aquecedor de gás de processo e o secador, configurado para utilizar pelo menos parte do calor da combustão para o secador. Essa modalidade pode contribuir significativamente para a eficácia geral de energia do processo.
[0149]Em algumas modalidades, o sistema compreende adicionalmente uma unidade de enriquecimento de material, disposta em comunicação operável com um resfriador, configurado para combinar vapores condensáveis, na forma pelo menos parcialmente condensada, com os sólidos. A unidade de enriquecimento de material pode aumentar o teor de carbono do carvão ativado biogênico.
[0150]Em certas modalidades, os produtos de combustão incluem monóxido de carbono, em que o processo compreende adicionalmente utilizar o monóxido de carbono como um combustível dentro do processo ou para um outro processo. Por exemplo, o CO pode ser usado como um combustível indireto ou direto para uma unidade de pirólise.
[0151]O sistema pode incluir adicionalmente uma zona de pirólise separada adaptada para pirolisar adicionalmente o carvão ativado biogênico para aumentar adi-cionalmente seu teor de carbono. A zona de pirólise separada pode ser um recipiente, unidade ou dispositivo relativamente simples, tal como um tanque, barril, caixa, tambor, sacola, bolsa ou saco em rolo.
[0152]O sistema geral pode estar em uma localização fixa ou pode ser portátil. O sistema pode ser construído com uso de módulos que podem ser simplesmente duplicados para aumento em escala prático. O sistema também pode ser construído com uso de princípios de economia de escala, visto que é bem conhecido nas indús- trias de processo.
[0153]Em algumas modalidades, o processo para produção um carvão ati vado biogênico compreende adicionalmente uma etapa de dimensionamento (por exemplo, sorteamento, triagem, classificação, etc.) dos sólidos pirolisados quentes ou frios para formar sólidos pirolisados dimensionados. Os sólidos pirolisados dimensio- nados podem então ser usados em aplicações que exigem um produto de carvão ativado que tem um certo tamanho de partícula característico.
[0154]Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico compreende pelo menos cerca de 55% em peso de carbono total em uma base seca, por exemplo, pelo menos 55% em peso, pelo menos 60% em peso, pelo menos 65% em peso, pelo menos 70% em peso, pelo menos 75% em peso, pelo menos 80% em peso, pelo menos 85% em peso, pelo menos 90% em peso, pelo menos 95% em peso, pelo menos 96% em peso, pelo menos 97% em peso, pelo menos 98% em peso, ou pelo menos 99 % em peso de carbono total em uma base seca. O carbono total inclui pelo menos carbono fixo e pode incluir adicionalmente carbono a partir da matéria volátil. Em algumas modalidades, o carbono da matéria volátil é de cerca de pelo menos 5%, pelo menos 10%, pelo menos 25% ou pelo menos 50% do carbono total presente no carvão ativado biogênico. O carbono fixo pode ser medido com uso de ASTM D3172, enquanto o carbono volátil pode ser estimado com uso de ASTM D3175, por exemplo.
[0155]O carvão ativado biogênico de acordo com a presente revelação pode compreender cerca de 0% em peso a cerca de 8% em peso de hidrogênio. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico compreende mais do que cerca de 0,5% em peso de hidrogênio, por exemplo, cerca de 0,6% em peso, cerca de 0,7% em peso, cerca de 0,8% em peso, cerca de 0,9% em peso, cerca de 1% em peso, cerca de 1,2% em peso, cerca de 1,4% em peso, cerca de 1,6% em peso, cerca de 1,8% em peso, cerca de 2% em peso, cerca de 2,2% em peso, cerca de 2,4% em peso, cerca de 2,6% em peso, cerca de 2,8% em peso, cerca de 3% em peso, cerca de 3,2% em peso, cerca de 3,4% em peso, cerca de 3,6% em peso, cerca de 3,8% em peso, cerca de 4% em peso, ou mais que cerca de 4% em peso de hidrogênio. O teor de hidrogênio de carvão ativado biogênico pode ser determinado por meio de qualquer método adequado conhecido na técnica, por exemplo, pelo procedimento de análise de combustão esboçado em ASTM D5373. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico tem um teor de hidrogênio que é maior do que o teor de hidrogênio de carvão ativado derivado das fontes de combustíveis fósseis. Tipicamente, os combustíveis fósseis a base de produtos de carvão ativado têm menos que 1% em peso de hidrogênio, por exemplo, cerca de 0,6% em peso de hidrogênio. Em algumas modalidades, as características de um produto de carvão ativado podem ser otimizadas pela mescla de uma quantidade de um produto de carvão ativado a base de combustível fóssil (isto é, com um teor de hidrogênio muito baixo) com uma quantidade adequada de um produto de carvão ativado biogênico que tem um teor de hidrogênio maior do que do produto de carvão ativado a base de combustível fóssil.
[0156]O carvão ativado biogênico pode compreender cerca de 10% em peso ou menos, tal como cerca de 5% em peso ou menos, de hidrogênio em uma base seca. O produto de carvão ativado biogênico pode compreender cerca de 1% em peso ou menos, tal como cerca de 0,5% em peso ou menos, de nitrogênio em uma base seca. O produto de carvão ativado biogênico pode compreender cerca de 0,5% em peso ou menos, tal como cerca de 0,2% em peso ou menos, de fósforo em uma base seca. O produto de carvão ativado biogênico pode compreender cerca de 0,2% em peso ou menos, tal como cerca de 0,1% em peso ou menos, de enxofre em uma base seca.
[0157]Em certas modalidades, o carvão ativado biogênico inclui oxigênio, tal como até 20% em peso oxigênio, por exemplo cerca de 0,2% em peso, cerca de 0,5% em peso, cerca de 1% em peso, cerca de 2% em peso, cerca de 3% em peso, cerca de 4% em peso, cerca de 5% em peso, cerca de 6% em peso, cerca de 7% em peso, cerca de 7,5% em peso, cerca de 8% em peso, cerca de 9% em peso, cerca de 10% em peso, cerca de 11% em peso, cerca de 12% em peso, cerca de 13% em peso, cerca de 14% em peso, cerca de 15% em peso, cerca de 16% em peso, cerca de 17% em peso, cerca de 18% em peso, cerca de 19% em peso ou cerca de 20 % em peso de oxigênio. A presença de oxigênio pode ser benéfica no carvão ativado para certas aplicações, tal como captura de mercúrio, especialmente em conjunto com a presença de um halogênio (tal como cloro ou bromo). Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico tem um teor de oxigênio que é maior do que o teor de oxigênio de carvão ativado derivado das fontes de combustíveis fósseis. Tipicamente, os produtos de carvão ativado a base de combustível fóssil têm menos que 10% em peso de oxigênio, por exemplo, cerca de 7% em peso de oxigênio ou cerca de 0,3% em peso de oxigênio. Em algumas modalidades, as características de um produto de carvão ativado podem ser otimizadas pela mescla de uma quantidade de um produto de carvão ativado a base de combustível fóssil (isto é, com um teor de oxigênio muito baixo) com uma quantidade adequada de um produto de carvão ativado biogênico que tem um teor de oxigênio maior do que do produto de carvão ativado a base de combustível fóssil.
[0158]O carbono, hidrogênio e nitrogênio podem ser medidos com uso de ASTM D5373 para análise final, por exemplo. O oxigênio pode ser estimado com uso de ASTM D3176, por exemplo. O enxofre pode ser medido com uso de ASTM D3177, por exemplo.
[0159]Certas modalidades fornecem reagentes com pouco ou essencialmente nenhum hidrogênio (exceto a partir de qualquer umidade que pode estar presente), nitrogênio, fósforo ou enxofre e são substancialmente carbono e qualquer cinza e umidade presentes. Portanto, algumas modalidades fornecem um material com até e incluindo 100% de carbono, em uma base livre de cinza/seca (DAF).
[0160]Várias quantidades de matéria incombustível, tal como cinza, podem estar presentes no produto final. O carvão ativado biogênico pode compreender cerca de 10% em peso ou menos, tal como cerca de 5% em peso, cerca de 2% em peso, cerca de 1% em peso ou menos do que cerca de 1% em peso de matéria incombustível em uma base seca. Em certas modalidades, o reagente contém poucas cinzas ou até mesmo essencialmente nenhuma cinza ou outra matéria incombustível. Portanto, algumas modalidades fornecem essencialmente carbono puro, que inclui 100% de carbono, em uma base seca.
[0161]Várias quantidades de umidade podem estar presentes. Em uma base em massa total, o carvão ativado biogênico pode compreender pelo menos 1% em peso, pelo menos 2% em peso, pelo menos 5% em peso, pelo menos 10% em peso, pelo menos 15% em peso, pelo menos 25% em peso, pelo menos 35% em peso, pelo menos 50% em peso ou mais do que 50% em peso de umidade. Conforme destinado no presente documento, o termo “umidade” deve ser construído conforme incluindo qualquer forma de água presenta no produto de carvão ativado biogênico, que inclui umidade absorvida, moléculas de água adsorvidas, hidratos químicos e hidratos físicos. O teor de umidade em equilíbrio pode variar pelo menos com o ambiente local, tal como a umectação relativa. Além disso, a umidade pode variar durante o transporte, preparação para uso e outras logísticas. A umidade pode ser medida por meio de qualquer método adequado conhecido na técnica, que inclui ASTM D3173, por exemplo.
[0162]O carvão ativado biogênico pode ter vários “teores de energia” que, para propósitos presentes, significa a densidade de energia com base no maior valor de aquecimento associado à combustão total do reagente totalmente seco. Por exemplo, o carvão ativado biogênico pode possuir um teor de energia de cerca de pelo menos 25.586 KJ/Kg (11.000 Btu/lb), pelo menos 27.912 KJ/Kg (12.000 Btu/lb), pelo menos 30.238 KJ/Kg (13.000 Btu/lb), pelo menos 32.564 KJ/Kg (14.000 Btu/lb) ou pelo menos 34.890 KJ/Kg (15.000 Btu/lb). Em certas modalidades, o teor de energia é entre cerca de 32.564 a 34.890 KJ/Kg (14.000 a 15.000 Btu/lb). O teor de energia pode ser medido por meio de qualquer método adequado conhecido na técnica, que inclui ASTM D5865, por exemplo.
[0163]O carvão ativado biogênico pode ser formado em um pó, tal como um pó grosso ou um pó fino. Por exemplo, o reagente pode ser formado em um pó com um tamanho de malha médio de cerca de 200 mesh, cerca de 100 mesh, cerca de 50 mesh, cerca de 10 mesh, cerca de 6 mesh, cerca de 4 mesh ou cerca de 2 mesh, em modalidades. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico tem um tamanho de partícula médio de até cerca de 500 μm, por exemplo menos do que cerca de 10 μm, cerca de 10 μm, cerca de 25 μm, cerca de 50 μm, cerca de 75 μm, cerca de 100 μm, cerca de 200 μm, cerca de 300 μm, cerca de 400 μm ou cerca de 500 μm.
[0164]O carvão ativado biogênico pode ser produzido como pó carvão ativado, que geralmente inclui partículas com um tamanho predominantemente menor do que 0,21 mm (70 mesh). O carvão ativado biogênico pode ser produzido como carvão ativado granular, que geralmente inclui partículas irregularmente conformadas com tamanhos que variam de 0,2 mm a 5 mm. O carvão ativado biogênico pode ser produzido como carvão ativado peletizado, que inclui geralmente objetos cilindricamente conformados e extrudados com diâmetros de 0,8 mm a 5 mm.
[0165]Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico é formado em objetos estruturais que compreendem partículas aglomeradas, ligadas e pressionadas. O material de partida para formar esses objetos pode ser uma forma de pó do reagente, tal como um intermediário obtido pela redução de tamanho da partícula. Os objetos podem ser formados por prensagem mecânica ou outras forças, opcionalmente, com um ligante ou outros meios de aglomeração de partículas juntas.
[0166]Após a formação da pirólise, o carvão ativado biogênico pode ser pul-verizado para formar um pó. O temo “pulverização” nesse contexto é destinado a incluir qualquer dimensionamento, fresagem, pulverização, esmerilamento, esmagamento, extrusão ou outro tratamento mecânico principal para reduzir o tamanho de partícula médio. O tratamento mecânico pode ser auxiliado por forças elétricas ou químicas, se for desejado. A pulverização pode ser um processo em batelada, contínuo ou semicontínuo e pode ser executada em uma localização diferente daquela de formação dos sólidos pirolisados, em algumas modalidades.
[0167]Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico é produzido na forma de objetos estruturais cuja estrutura deriva substancialmente da matéria-prima. Por exemplo, as lascas de matéria-prima podem produzir lascas de produto de carvão ativado biogênico. Ou, os cilindros de matéria-prima podem produzir cilindros de carvão ativado biogênico, que podem ser um pouco menores, mas de outro modo mantêm a geometria e estrutura básicas do material de partida.
[0168]Um carvão ativado biogênico de acordo com a presente revelação pode ser produzido como ou formado em, um objeto que tem uma dimensão mínima de pelo menos cerca de 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, 8 cm, 9 cm, 10 cm ou mais. Em várias modalidades, a dimensão mínima ou dimensão máxima pode ser um comprimento, largura ou diâmetro.
[0169]Em algumas modalidades, a presente revelação se refere à incorporação de aditivos no processo, no produto ou em ambos. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico inclui pelo menos um aditivo de processo incorporado durante o processo. Nessas e em outras modalidades, o carvão ativado inclui pelo menos um aditivo de produto introduzido no carvão ativado seguindo o processo.
[0170]Em algumas modalidades, a presente revelação se refere à incorporação de aditivos no processo, no produto ou em ambos. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico inclui pelo menos um aditivo de processo incorporado durante o processo. Nessas e em outras modalidades, o reagente inclui pelo menos um aditivo de produto introduzido no reagente seguindo o processo.
[0171]Em algumas modalidades, um carvão ativado biogênico compreende, em uma base seca: 55% em peso ou mais de carbono total; 5% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; opcionalmente de 0,5% em peso a 10% em peso de oxigênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; 0,2% em peso ou menos de enxofre; e um aditivo selecionado a partir de um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal ou uma combinação dos mesmos.
[0172]O aditivo pode ser selecionado a partir de, mas não se limita a, cloreto de ferro, brometo de ferro, magnésio, manganês, alumínio, níquel, crômio, silício, óxido de magnésio, dolomita, cal dolomítica, fluorita, fluorospar, bentonita, óxido de cálcio, cal ou combinações dos mesmos.
[0173]Em algumas modalidades, um carvão ativado biogênico compreende, em uma base seca: 55% em peso ou mais de carbono total; 5% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; opcionalmente de 0,5% em peso a 10% em peso de oxigênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; 0,2% em peso ou menos de enxofre; e Um aditivo selecionado a partir de um ácido, uma base ou um sal do mesmo.
[0174]O aditivo pode ser selecionado a partir de, mas não é limitado a, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, óxido de magnésio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, silicato de sódio, permanganato de potássio, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido cítrico) ou combinações dos mesmos.
[0175]Em certas modalidades, um carvão ativado biogênico compreende, em uma base seca: 55% em peso ou mais de carbono total; 5% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; opcionalmente de 0,5% em peso a 10% em peso de oxigênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; 0,2% em peso ou menos de enxofre; um primeiro aditivo selecionado a partir de um metal, óxido de metal, hidróxido de metal, um haleto de metal ou uma combinação dos mesmos; e um segundo aditivo selecionado a partir de um ácido, uma base ou um sal do mesmo, em que o primeiro aditivo é diferente do segundo aditivo.
[0176]O primeiro aditivo pode ser selecionado a partir de cloreto de ferro, brometo de ferro, magnésio, manganês, alumínio, níquel, crômio, silício, óxido de magnésio, dolomita, cal dolomítica, fluorita, fluorospar, bentonita, óxido de cálcio, cal ou combinações dos mesmos, enquanto o segundo aditivo pode ser independentemente selecionado a partir de hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, óxido de magnésio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, silicato de sódio, permanganato de potássio, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido cítrico) ou combinações dos mesmos.
[0177]Em uma modalidade, um carvão ativado biogênico consistente com a presente revelação consiste essencialmente em, em uma base seca, carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo, enxofre, matéria incombustível e um aditivo selecionado a partir do grupo que consiste em cloreto de ferro, brometo de ferro, magnésio, manganês, alumínio, níquel, crômio, silício, óxido de magnésio, dolomita, cal dolomítica, fluorita, fluorospar, bentonita, óxido de cálcio, cal e combinações dos mesmos.
[0178]Em uma modalidade, um carvão ativado biogênico consistente com a presente revelação consiste essencialmente em, em uma base seca, carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo, enxofre, matéria incombustível, e um aditivo selecionado a partir do grupo que consiste em hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, óxido de magnésio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, silicato de sódio e combinações dos mesmos.
[0179]A quantidade de aditivo (ou aditivos totais) pode variar amplamente, tal como a partir de cerca de 0,01% em peso a cerca de 25% em peso, que inclui cerca de 0,1% em peso, cerca de 1% em peso, cerca de 5% em peso, cerca de 10% em peso ou cerca de 20% em peso em uma base seca. Será apreciado então quando quantidades de aditivos relativamente grandes forem incorporadas, tal como mais do que cerca de 1% em peso, será uma redução no teor de energia calculado com base no peso total de carvão ativado (inclusive de aditivos). Ainda, em várias modalidades, o carvão ativado biogênico com aditivo(s) pode possuir um teor de energia de cerca de pelo menos 25.586 KJ/Kg (11.000 Btu/lb), pelo menos 27.912 KJ/Kg (12.000 Btu/lb), pelo menos 30.238 KJ/Kg (13.000 Btu/lb), pelo menos 32.564 KJ/Kg (14.000 Btu/lb) ou pelo menos 34.890 KJ/Kg (15.000 Btu/lb), quando com base no peso total do carvão ativado biogênico (que incluir o(s) aditivo(s)).
[0180]A discussão acima relativa à forma de produto também se aplica às modalidades que incorporam aditivos. De fato, certas modalidades incorporam aditivos como ligantes ou outros modificadores para melhorar as propriedades finais para uma aplicação particular.
[0181]Em algumas modalidades, a maior parte do carbono contido no carvão ativado biogênico é classificada como carbono renovável. Em algumas modalidades, substancialmente todo o carbono é classificado como carbono renovável. Pode haver certos mecanismos de mercado (por exemplo, Números de Identificação Renováveis, créditos fiscais, etc.) em que o valor é atribuído ao teor de carbono renovável dentro do carvão ativado biogênico. Em algumas modalidades, o próprio aditivo é derivado das fontes biogênicas ou é de outro modo classificado conforme derivado de uma fonte de carbono renovável. Por exemplo, alguns ácidos orgânicos tal como ácido cítrico são derivados das fontes de carbono renovável. Desse modo, em algumas modalidades, o teor de carbono de um carvão ativado biogênico consiste em, consiste essencialmente em ou consiste substancialmente em carbono renovável. Por exemplo, um carvão ativado completamente biogênico formado por métodos conforme revelado no presente documento consiste em, consiste essencialmente em ou consiste substancialmente em (a) sólidos pirolisados derivados apenas da biomassa das fontes de carbono renovável e (b) um ou mais aditivos derivados apenas das fontes de carbono renovável
[0182]O carvão ativado biogênico produzido conforme descrito no presente documento é útil para uma ampla variedade de produtos carbonáceos. Em variações, um produto inclui qualquer um dos carvões ativados biogênicos que podem ser obtidos pelos processos revelados ou que são descritos nas composições apresentadas no presente documento ou quaisquer porções, combinações ou derivados dos mesmos.
[0183]De um modo geral, os carvões ativados biogênicos podem ser queimados para produzir energia (que incluem eletricidade e calor); parcialmente oxidados ou reformados a vapor d'água para produzir gás de síntese; utilizados para suas propriedades adsortivas ou absorventes; utilizados para suas propriedades reativas durante o refino de metal (tal como, redução de óxidos de metal) ou outro processamento industrial; ou utilizados para suas propriedades de material em aço-carbono e várias outra ligas de metal. Essencialmente, os carvões ativados biogênicos podem ser utilizados para qualquer aplicação do mercado de comodidades a base de carbono ou materiais avançados (por exemplo, grafeno), incluindo o uso de especialidade a serem desenvolvidos.
[0184]O carvão ativado biogênico preparado de acordo com os processos revelados no presente documento tem características iguais ou melhores que as do carvão ativado a base de combustível fóssil tradicional. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico tem uma área de superfície que é comparável a, igual a ou maior do que a área de superfície associada ao carvão ativado à base de combustível fóssil. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico pode controlar poluentes bem como ou melhor do que os produtos de carvão ativado tradicionais. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico tem um nível de material inerte (por exemplo, cinza) que é comparável a, igual a ou menor do que um nível de material inerte (por exemplo, cinza) associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico tem um tamanho de partícula e/ou uma distribuição de tamanho de partícula que é comparável a, igual a, maior do que ou menor do que um tamanho de partícula e/ou uma distribuição de tamanho de partícula associada a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um formato de partícula que é comparável a, substancialmente similar a ou igual a um formato de partícula associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um formato de partícula que é substancialmente diferente de um formato de partícula associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um volume de poro que é comparável a, igual a ou mais que um volume de poro associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem dimensões de poro que são comparáveis a, substancialmente similares a ou iguais às dimensões de poro associadas a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto ativado biogênico tem uma resistência ao atrito de valor de partículas que é comparável a, substancialmente similar a ou igual a uma resistência ao atrito de valor de partículas associada a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um valor de dureza que é comparável a, substancialmente similar a ou igual a um valor de dureza associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um valor de dureza que é comparável a, substancialmente menor do que ou menor do que um valor de dureza associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um valor de densidade aparente que é comparável a, substancialmente similar a ou igual a um valor de densidade aparente associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem um valor de densidade aparente que é comparável a, substancialmente menor do que ou menor do que um valor de densidade aparente associado a um produto de carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico tem uma capacidade absorvente que é comparável a, substancialmente similar a ou igual a uma capacidade absorvente associada a um produto de carvão ativado tradicional.
[0185]Antes do uso efetivo ou da compatibilidade em quaisquer aplicações de produto, os carvões ativados biogênicos revelados podem ser analisados, medidos e opcionalmente modificados (tal como através de aditivos) de várias maneiras. Algumas propriedades de interesse potencial, diferentes da composição química e teor de energia, incluem densidade, tamanho de partícula, área de superfície, microporosi- dade, capacidade de absorção, capacidade de adsorção, capacidade de ligação, rea- tividade, atividade de dessulfuração, basicidade, dureza e Número de Iodo.
[0186]Em uma modalidade, a presente revelação fornece vários produtos de carvão ativado. O carvão ativado é usado em uma ampla variedade de líquido e aplicações de fase gasosa, incluindo tratamento de água, purificação de ar, recuperação de vapor de solvente, processamento de bebidas e alimentos, refino de adoçante e de açúcar, usos automotivos e farmacêuticos. Para o carvão ativado, os atributos de produto chave podem incluir tamanho, formato e composição de partícula; área de superfície, volume de poro e dimensões de poro, distribuição de tamanho de partícula, a natureza química da parte interna e da superfície do carbono, resistência ao atrito de partículas, dureza, densidade aparente e capacidade adsortiva.
[0187]A área de superfície do carvão ativado biogênico pode variar amplamente. As áreas de superfície exemplificativas variam de cerca de 400 m2/g a cerca de 2.000 m2/g ou mais, tal como cerca de 500 m2/g, 600 m2/g, 800 m2/g, 1.000 m2/g, 1.200 m2/g, 1.400 m2/g, 1.600 m2/g ou 1.800 m2/g. A área de superfície se correlaciona geralmente à capacidade de adsorção.
[0188]O Número de Iodo é um parâmetro usado para caracterizar o desempenho de carvão ativado. O Número de Iodo mede o grau de ativação do carbono e é uma medida do teor de microporo (por exemplo, 0 a 20 A). O mesmo é uma medição importante para as aplicações de fase líquida. Os Números de Iodo exemplificativos para produtos de carvão ativado produzidos pelas modalidades da revelação incluem cerca de 500, 600, 750, 900, 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.500, 1.600, 1.750, 1.900, 2.000, 2.100 e 2.200.
[0189]As outras medições relacionadas ao poro incluem azul de metileno, que mede o teor de mesoporo (por exemplo, 20 a 500 A); e Número de Melaço (Molasses Number), que mede o teor de macroporo (por exemplo, >500 A). A distribuição do tamanho de poro e volume de poro são importantes para determinar o desempenho final. Uma densidade aparente típica para o carvão ativado biogênico é de cerca de 400 a 500 g/litro, tal como de cerca de 450 g/litro.
[0190]A dureza ou o número de abrasão é a medida da resistência ao atrito do carvão ativado. É um indicador de integridade física do carvão ativado resistir às forças de atrito e esforço mecânico durante o manuseio ou o uso. Alguma quantidade de dureza é desejável, mas se a dureza for muito alta, pode resultar no desgaste de equipamento excessivo. Os Números de Abrasão Exemplificativos, medidos de acordo com ASTM D3802, variam de cerca de 1% a mais do que cerca de 99%, tal como cerca de 1%, cerca de 5%, cerca de 10%, cerca de 15%, cerca de 20%, cerca de 25%, cerca de 30%, cerca de 35%, cerca de 40%, cerca de 45%, cerca de 50%, cerca de 55%, 60%, cerca de 65%, cerca de 70%, cerca de 75%, cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, cerca de 96%, cerca de 97%, cerca de 98%, cerca de 99% ou mais que cerca de 99%.
[0191]Em algumas modalidades, uma faixa ideal de dureza pode ser alcançada na qual o carvão ativado biogênico é aceitavelmente resistente ao atrito, mas não causa abrasão e desgaste em instalações centras que processam o carvão ativado. Esse cenário ideal pode se tornar possível em algumas modalidades dessa revelação devido à seleção de matéria-prima bem como condições de processamento.
[0192]Por exemplo, essas cascas de coco tendem a produzir Números de Abrasão de 99% ou mais, então as cascas de coco seriam uma matéria-prima menos que ideal para alcançar a dureza ideal. Em algumas modalidades na qual o uso a jusante pode lidar com a dureza elevada, o processo desta revelação pode ser operado para aumentar ou maximizar dureza para produzir produtos de carvão ativado biogênico que têm um Número de Abrasão de cerca de 75%, cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, cerca de 96%, cerca de 97%, cerca de 98%, cerca de 99% ou mais que cerca de 99%.
[0193]O carvão ativado biogênico fornecido pela presente revelação tem uma ampla faixa de usos comerciais. Por exemplo, sem limitação, o carvão ativado biogê- nico pode ser utilizado no controle de emissões, purificação de água, tratamento de água subterrânea, tratamento de efluente, aplicações removedoras de ar, aplicações de remoção de PCB, aplicações de remoção de odor, extrações de vapor do solo, plantas de gás manufaturado, filtração de água industrial, fumigação industrial, respiros de processo e de tanque, bombas, sopradores, filtros, pré-filtros, filtros de névoa, canalização, módulos de tubulação, adsorvedores, absorvedores e colunas.
[0194]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para reduzir emissões, em que o método compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreendem uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer uma corrente de emissões de fase gasosa que compreende pelo menos um contaminante selecionado; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção do contaminante selecionado a partir da corrente de emissões de fase gasosa; (d) introduzir as partículas de carvão ativado e o aditivo na corrente de emissões de fase gasosa, para adsorver pelo menos uma porção do contaminante selecionado nas partículas de carvão ativado, gerando, desse modo, partículas de carbono com contaminante absorvido dentro da corrente de emissões de fase gasosa; e (e) separar pelo menos uma porção das partículas de carbono com contami- nante absorvido a partir da corrente de emissões de fase gasosa, para produzir uma corrente de emissões de fase gasosa reduzida por contaminante.
[0195]O aditivo para a composição de carvão ativado biogênico pode ser fornecido como parte das partículas de carvão ativado. Alternativa ou adicionalmente, o aditivo pode ser introduzido diretamente na corrente de emissões de fase gasosa, em um leito de combustível ou em uma zona de combustão. Outras maneiras de introduzir direta ou indiretamente o aditivo na corrente de emissões de fase gasosa para remoção do contaminante selecionado são possíveis, conforme será apreciado por um indivíduo versado na técnica.
[0196]Um contaminante selecionado (na corrente de emissões de fase gasosa) pode ser um metal, tal como um metal que é selecionado a partir do grupo que consiste em mercúrio, boro, selênio, arsênico e qualquer composto, sal e mistura dos mesmos. Um contaminante selecionado pode ser um poluente nocivo ao ar, um composto orgânico (tal como um VOC) ou um gás não condensável, por exemplo. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico adsorve, absorve e/ou quimissorve um contaminante selecionado em quantidades maiores que uma quantidade comparável de um produto de carvão ativado não biogênico. Em algumas tais modalidades, o contaminante selecionado é um metal, um poluente nocivo ao ar, um composto orgânico (tal como um VOC), um gás não condensável ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o contaminante selecionado compreende mercúrio. Em algumas modalidades, o contaminante selecionado compreende um ou mais VOCs. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico compreende pelo menos cerca de 1% em peso de hidrogênio e/ou pelo menos cerca de 10% em peso de oxigênio.
[0197]Os poluentes nocivos ao ar são esses poluentes que causam ou podem causar câncer ou outros efeitos sérios na saúde, tal como efeitos reprodutivos ou defeitos congênitos ou efeitos ecológicos e ambientais adversos. A seção 112 da Lei do Ar Puro, conforme emendado, é incorporada ao presente documento em sua totalidade a título de referência. De acordo com a seção 112 da Lei do Ar Puro, a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) é autorizada para controlar 189 poluentes nocivos ao ar. Quaisquer compostos futuro ou atual classificados como poluentes nocivos ao ar pela EPA estão incluídos em contaminantes selecionados possíveis no presente contexto.
[0198]Os compostos orgânicos voláteis, alguns dos quais também são poluentes nocivos ao ar, são produtos químicos orgânicos que têm uma alta pressão de vapor em condições de temperatura ambiente ordinárias. Os exemplos incluem alcanos, olefinas, álcoois, cetonas e aldeídos de cadeia curta. Muitos compostos orgânicos voláteis são nocivos à saúde humana ou causam danos ao meio ambiente. EPA regulam os compostos orgânicos voláteis no ar, água e terra. A definição da EPA de compostos orgânicos voláteis é descrita na seção 40 CFR 51.100, que é incorporada ao presente documento em sua totalidade a título de referência.
[0199]Os gases não condensáveis são gases que não condessam sob condições de temperatura ambiente ordinárias. O gás não condensável pode incluir, mas não são limitados a, óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, metano, etano, etileno, ozônio, amônia ou combinações dos mesmos.
[0200]Múltiplos contaminantes podem ser removidos pelas partículas de carvão ativado. Em algumas modalidades, as partículas de carbono com contaminante absorvido incluem pelo menos dois contaminantes, pelo menos três contaminantes ou mais. O carvão ativado biogênico conforme revelado no presente documento pode permitir controle de múltiplos poluentes bem como controlo de certos poluentes alvo (por exemplo, selênio).
[0201]Em algumas modalidades, as partículas de carbono com contaminante absorvido incluem pelo menos um, pelo menos dois, pelo menos três ou todos dentre, dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio, mercúrio e dióxido de enxofre (em qualquer combinação).
[0202]A separação na etapa (e) pode incluir a filtração (por exemplo, filtros de tecido) ou a precipitação eletrostática (ESP), por exemplo. Os filtros de tecido, também conhecidos como filtros de manga, podem utilizar tubos de tubos de filtro de tecido manipulado, envelopes ou cartuchos, por exemplo. Há diversos tipos de filtros de manga, que incluem sistemas de jato de pulso, do tipo por vibração mecânica e de ar inverso. A separação na etapa (e) também pode incluir esfregamento.
[0203]Um precipitador eletrostático ou limpador de ar eletrostático, é um dispositivo de coleta de particulado que remove as partículas de um gás fluente com uso da força de uma carga eletrostática induzida. As precipitações eletrostáticas são dispositivos de filtração altamente eficazes que impedem minimamente o fluxo de gases através do dispositivo e podem remover facilmente matéria de particulado fino da corrente de ar. Um precipitador eletrostático aplica energia apenas à matéria de parti- culado que é coletada e, portanto, é muito eficaz em seu consumo de energia (eletricidade).
[0204]O precipitador eletrostático pode ser seco ou úmido. Um precipitador eletrostático úmido opera com correntes de gás saturadas para remover gotículas de líquido tal como mistura de ácido sulfúrico das correntes de gás de processo industrial. Os precipitadores eletrostáticos úmidos podem ser úteis quando os gases são com alto teor de umidade, contêm particulado combustível ou têm partículas que são de natureza pegajosa.
[0205]Em algumas modalidades, as partículas de carbono com contaminante absorvido são tratadas para regenerar as partículas de carvão ativado. Em algumas modalidades, o método inclui oxidar termicamente as partículas de carbono com con- taminante absorvido. As partículas de carbono com contaminante absorvido ou uma forma regenerada das mesmas, podem ser queimadas para fornecer energia.
[0206]Em algumas modalidades, o aditivo é selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal ou uma combinação dos mesmos. Em certas modalidades, o aditivo é selecionado a partir do grupo que consiste em magnésio, manganês, alumínio, níquel, ferro, crômio, silício, boro, cério, molibdênio, fósforo, tungstênio, vanádio, cloreto de ferro, brometo de ferro, óxido de magnésio, dolomita, cal dolomítica, fluorita, fluorospar, ben- tonita, óxido de cálcio, cal, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, silicato de sódio, permanganato de potássio, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido cítrico) e combinações dos mesmos.
[0207]Em algumas modalidades, a corrente de emissões de fase gasosa é derivada da combustão de um combustível que compreende a composição de carvão ativado biogênico.
[0208]Em algumas modalidades relacionadas especificamente à remoção de mercúrio, um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para reduzir as emissões de mercúrio compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreendem uma composição de carvão ativado biogênico que inclui ferro ou um composto que contém ferro; (b) fornecer uma corrente de emissões de fase gasosa que compreende mercúrio; (c) introduzir as partículas de carvão ativado na corrente de emissões de fase gasosa, para adsorver pelo menos uma porção do mercúrio sobre as partículas de carvão ativado, gerando, desse modo, as partículas de carbono com mercúrio absorvido dentro da corrente de emissões de fase gasosa; e (d) separar pelo menos uma porção das partículas de carbono com mercúrio absorvido da corrente de emissões de fase gasosa com uso da precipitação eletrostática ou filtração, para produzir uma corrente de emissões de fase gasosa de mercúrio reduzido.
[0209]Em algumas modalidades, um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para reduzir as emissões (por exemplo, mercúrio) compreende adicionalmente usar o carvão ativado biogênico como uma fonte de combustível. Em tais modalidades, o alto valor de calor do produto de carvão ativado biogênico pode ser utilizado, além de sua capacidade de reduzir as emissões pela adsorção, absorção e/ou quimissorção de poluentes potenciais. Desse modo, em uma modalidade exemplificativa, o produto de carvão ativado biogênico, quando usado como uma fonte de combustível e como um produto de controle de mercúrio, impede que pelo menos 70% de mercúrio emane de uma planta elétrica, por exemplo, cerca de 70%, cerca de 75%, cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, cerca de 96%, cerca de 97%, cerca de 98%, 98.5%, cerca de 99%, cerca de 99,1%, cerca de 99,2%, cerca de 99,3%, cerca de 99,4%, cerca de 99,5%, cerca de 99,6%, cerca de 99,7%, cerca de 99,8%, cerca de 99,9% ou mais que cerca de 99,9% de mercúrio.
[0210]Como uma modalidade exemplificativa, o carvão ativado biogênico pode ser injetado (tal como, na canalização) a montante de um dispositivo de controle de matéria de particulado, tal como, um precipitador eletrostático ou filtro de tecido. Em alguns casos, um sistema de dessulfuração de gás de combustão (seca ou úmida) pode estar a jusante do ponto de injeção de carvão ativado. O carvão ativado pode ser pneumaticamente injetado como um pó. A localização de injeção será tipicamente determinada pela configuração de planta existente (a menos que seja um novo local) e se o equipamento de controle de matéria de particulado a jusante adicional for modificado.
[0211]Para caldeiras atualmente equipadas com dispositivos de controle de matéria de particulado, a implantação da injeção de carvão ativado biogênico para controle de mercúrio implicaria: (i) injeção de carvão ativado em pó a montante do dispositivo de controle de matéria de particulado existente (precipitador eletrostático ou filtro de tecido); (ii) injeção de carvão ativado em pó a jusante de um precipitador eletrostático existente e a montante de um filtro de tecido adaptado; ou (iii) injeção de carvão ativado em pó entre os campos elétricos de precipitador eletrostático.
[0212]Em algumas modalidades, as abordagens de injeção de carvão ativado biogênico em pó podem ser empregadas em combinação com os dispositivos de controle de SO2 existentes. O carvão ativado poderia ser injetado antes do dispositivo de controle de SO2 ou após o dispositivo de controle de SO2, submetido à disponibilidade de um meio para coletar o absorvente de carvão ativado a jusante do ponto de injeção.
[0213]Quando a precipitação eletrostática é empregada, a presença de ferro ou um composto que contém ferro nas partículas de carvão ativado pode aprimorar a eficácia da precipitação eletrostática, aprimorando, desse modo, o controle de mercúrio.
[0214]O método opcionalmente inclui adicionalmente separar as partículas de carbono com mercúrio absorvido, conter o ferro ou um composto que contém ferro, a partir de carbono ou partículas de cinza que não contêm o ferro ou um composto que contém ferro. O carbono ou partículas de cinza que não contêm o ferro ou um composto que contém ferro podem ser recuperadas para reciclagem, venda como copro- duto ou outro uso. Quaisquer separações que envolvem ferro ou materiais que contêm ferro podem empregar separação magnética, tirando vantagem das propriedades magnéticas de ferro.
[0215]Uma composição de carvão ativado biogênico que inclui ferro ou um composto que contém ferro é um produto de “carvão ativado magnético”. Isto é, o material é suscetível a um campo magnético. O ferro ou composto que contém ferro pode ser separado com uso dos dispositivos de separação magnética. Adicionalmente, o carvão ativado biogênico, que contém ferro, pode ser separado com uso da separação magnética. Quando separação magnética deve ser empregada, os separadores de metal magnético podem ser cartuchos com imã, imã com placa ou uma outra configuração conhecida.
[0216]A inclusão de ferro ou compostos que contêm ferro pode aprimorar drasticamente o desempenho de precipitações eletrostáticas para controle de mercúrio. Além disso, a inclusão de ferro ou compostos que contêm ferro pode alterar drasticamente as opções de fim de vida útil, visto que os sólidos de carvão ativado usados podem ser separados do outro cinza.
[0217]Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado magnético pode ser separado da corrente de cinza. Mediante os padrões ASTM para uso de cinzas volantes no cimento, as cinzas volantes devem vir de produtos de hulha. Se o carvão ativado a base de madeira pode ser separado das outras cinzas volantes, a cinza restante pode ser usada pelos padrões ASTM para produção de cimento. De modo similar, a capacidade para separar a cinza carregada com mercúrio pode permitir que seja mais bem manuseada e descartada, reduzindo potencialmente os custos de manuseio de toda cinza de uma certa instalação.
[0218]Em algumas modalidades, o mesmo material físico pode ser usado em múltiplos processos, de uma maneira integrada ou em sequência. Desse modo, por exemplo, um carvão ativado pode, no final de sua vida útil como um material de desempenho, então ser introduzido em um processo de combustão para o valor de energia ou em um processo de metal, etc.
[0219]Por exemplo, um carvão ativado injetado em uma corrente de emissões pode ser adequado para remover contaminantes, seguido da combustão das partículas de carvão ativado e possivelmente os contaminantes, para produzir energia e ter- micamente destruir ou oxidar quimicamente os contaminantes.
[0220]Em algumas modalidades, a presente revelação fornece um processo para produção de energia que compreende: (a) fornecer uma matéria-prima que contém carbono que compreende uma com-posição de carvão ativado biogênico (que pode incluir um ou mais aditivos); e (b) oxidar a matéria-prima que contém carbono para gerar a energia e uma corrente de emissões de fase gasosa, em que a presença da composição de carvão ativado biogênico dentro da matéria-prima que contém carbono é eficaz para adsorver pelo menos um contami- nante produzido como um subproduto da oxidação ou derivado da matéria-prima que contém carbono, reduzindo, desse modo, as emissões do contaminante.
[0221]Em algumas modalidades, o contaminante ou um precursor do mesmo, está contido dentro da matéria-prima que contém carbono. Em outras modalidades, o contaminante é produzido como um subproduto da oxidação.
[0222]A matéria-prima que contém carbono pode incluir adicionalmente biomassa, hulha ou qualquer outro material carbonáceo, além da composição de carvão ativado biogênico. Em certas modalidades, a matéria-prima que contém carbono consiste essencialmente na composição de carvão ativado biogênico como a única fonte de combustível.
[0223]O contaminante selecionado pode ser um metal selecionado a partir do grupo que consiste em mercúrio, boro, selênio, arsênico e qualquer composto, sal e mistura dos mesmos; um poluente nocivo ao ar; um composto orgânico (tal como um VOC); um gás não condensável selecionado a partir do grupo que consiste em óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, metano, etano, etileno, ozônio e amônia; ou quaisquer combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico adsorve, absorve e/ou quimissorve um contaminante selecionado em quantidades maiores que uma quantidade comparável de um produto de carvão ativado não biogênico. Em algumas tais modalidades, o contaminante selecionado é um metal, um poluente nocivo ao ar, um composto orgânico (tal como um VOC), um gás não condensável ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o con- taminante selecionado compreende mercúrio. Em algumas modalidades, o contami- nante selecionado compreende um ou mais VOCs. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico compreende pelo menos cerca de 1% em peso de hidrogênio e/ou pelo menos cerca de 10% em peso de oxigênio.
[0224]O carvão ativado biogênico e os princípios da revelação podem ser aplicados às aplicações de fase líquida, que incluem processar água, correntes aquosas de purezas variantes, solventes, combustíveis líquidos, polímeros, sais fundidos e metais fundidos, por exemplo. Conforme pretendido no presente documento, “fase líquida” inclui pasta aquosa, suspensões, emulsões, sistemas de múltiplas fases ou qualquer outro material que tem (ou pode ser ajustado para ter) pelo menos alguma quantidade de um estado líquido presente.
[0225]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para purificar um líquido, em algumas variações, inclui as etapas a seguir: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreendem uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer um líquido que compreende pelo menos um contaminante selecionado; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção do contaminante selecionado do líquido; e (d) colocar o líquido em contato com as partículas de carvão ativado e o aditivo, para adsorver pelo menos uma porção do pelo menos um contaminante selecionado em relação às partículas de carvão ativado, gerando, desse modo, partículas de carbono com contaminante absorvido e um líquido com contaminante reduzido.
[0226]O aditivo pode ser fornecido como parte das partículas de carvão ativado. Ou, o aditivo pode ser introduzido diretamente no líquido. Em algumas modalidades, os aditivos— que podem ser iguais ou diferentes— são introduzidos ambos como parte das partículas de carvão ativado, bem como diretamente no líquido.
[0227]Em algumas modalidades relacionadas às aplicações de fase líquida, um aditivo é selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal ou uma combinação dos mesmos. Por exemplo, um aditivo pode ser selecionado a partir do grupo que consiste em magnésio, manganês, alumínio, níquel, ferro, crômio, silício, boro, cério, molibdênio, fósforo, tungstênio, vanádio, cloreto de ferro, brometo de ferro, óxido de magnésio, dolomita, cal dolomítica, fluorita, fluorospar, bentonita, óxido de cálcio, cal, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, brometo de hidrogênio, cloreto de hidrogênio, silicato de sódio, permanganato de potássio, ácidos orgânicos (por exemplo, ácido cítrico) e combinações dos mesmos.
[0228]Em algumas modalidades, o contaminante selecionado (no líquido ser tratado) é um metal, tal como um metal selecionado a partir do grupo que consiste em arsênico, boro, selênio, mercúrio, e qualquer composto, sal e mistura dos mesmos. Em algumas modalidades, o contaminante selecionado é um composto orgânico (tal como, um VOC), um halogênio, um composto biológico, um pesticida ou um herbicida. As partículas de carbono com contaminante absorvido podem incluir dois, três ou mais contaminantes. Em algumas modalidades, um produto de carvão ativado biogênico adsorve, absorve e/ou quimissorve um contaminante selecionado em quantidades maiores que uma quantidade comparável de um produto de carvão ativado não bio- gênico. Em algumas tais modalidades, o contaminante selecionado é um metal, um poluente nocivo ao ar, um composto orgânico (tal como um VOC), um gás não con- densável ou qualquer combinação dos mesmos. Em algumas modalidades, o conta- minante selecionado compreende mercúrio. Em algumas modalidades, o contami- nante selecionado compreende um ou mais VOCs. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico compreende pelo menos cerca de 1% em peso de hidrogênio e/ou pelo menos cerca de 10% em peso de oxigênio.
[0229]O líquido a ser tratado será tipicamente aquoso, apesar de que não é necessário os princípios desta revelação. Em algumas modalidades, a etapa (c) inclui colocar o líquido em contato com as partículas de carvão ativado em um leito fixo. Em outras modalidades, a etapa (c) inclui colocar o líquido em contato com as partículas de carvão ativado em solução ou em um leito móvel.
[0230]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para remover pelo menos uma porção de um contaminante que contém enxofre de um líquido, em que o método compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreende uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer um líquido que contém um contaminante que contém enxofre; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção do contaminante que contém enxofre do líquido; e (d) colocar o líquido em contato com as partículas de carvão ativado e o aditivo, para adsorver ou absorver pelo menos uma porção do contaminante que contém enxofre sobre ou nas partículas de carvão ativado.
[0231]Em algumas modalidades, o contaminante que contém enxofre é selecionado a partir do grupo que consiste em enxofre elementar, ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, ânions de sulfato, ânions de bissul- fato, ânions de sulfito, ânions de bissulfito, tióis, sulfetos, dissulfetos, polissulfetos, tioéteres, tioésteres, tioacetais, sulfóxidos, sulfonas, tiossulfinatos, sulfimidas, sulfoximidas, sulfonadiiminas, haleto de enxofre, tiocetonas, tioaldeídos, óxidos de enxofre, ácidos tiocarbolíxicos, tioamidas, ácidos sulfônicos, ácidos sulfínicos, ácidos sulféni- cos, sulfônio, oxossulfônio, sulfuranos, persulfuranos, e combinações, sais ou derivados dos mesmos. Por exemplo, o contaminante que contém enxofre pode ser um sulfato, na forma aniônica e/ou de sal.
[0232]Em algumas modalidades, a composição de carvão ativado biogênico compreende 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; e 1% em peso ou menos de nitrogênio; e um aditivo se for fornecido como parte das partículas de carvão ativado. O aditivo pode ser selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos. O aditivo pode ser alternativamente (ou adicionalmente) introduzido diretamente no líquido.
[0233]Em algumas modalidades, a etapa (d) inclui a filtração do líquido. Nessas e em outras modalidades, a etapa (d) inclui a osmose do líquido. As partículas de carvão ativado e o aditivo podem ser diretamente introduzidas no líquido antes da osmose. As partículas de carvão ativado e o aditivo podem ser empregados na pré- filtração antes da osmose. Em certas modalidades, as partículas de carvão ativado e o aditivo são incorporadas em uma membrana para osmose. Por exemplo, os materiais de membrana conhecidos tal como acetato de celulose podem ser modificados pela introdução das partículas de carvão ativado e/ou aditivos dentro da própria membrana ou como uma camada em um ou ambos os lados da membrana. Vários compósitos que contêm carbono com filme fino poderiam ser fabricados com as partículas de carvão ativado e os aditivos.
[0234]Em algumas modalidades, a etapa (d) inclui a adição direta das partículas de carvão ativado ao líquido, seguido, por exemplo, da sedimentação das partículas de carvão ativado com o contaminante que contém enxofre a partir do líquido.
[0235]O líquido pode ser um líquido aquoso, tal como água. Em algumas mo-dalidades, a água é efluente associado a um processo selecionado a partir do grupo que consiste em mineração de metal, drenagem ácida de mina, processamento de mineral, tratamento de esgoto municipal, celulose e papel, etanol e qualquer outro processo industrial que tem capacidade para descarregar os contaminantes que contêm enxofre no efluente. A água também pode ser (ou ser parte de) um corpo natural de água, tal como um lago, rio ou corrente.
[0236]Em uma modalidade, a presente revelação fornece um processo para reduzir a concentração de sulfatos em água, em que o processo compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreende uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer um volume ou corrente de água que contém sulfatos; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção dos sulfatos da água; e (d) colocar a água em contato com as partículas de carvão ativado e o aditivo, para adsorver ou absorver pelo menos uma porção dos sulfatos sobre ou nas partículas de carvão ativado.
[0237]Em algumas modalidades, os sulfatos são reduzidos para uma concentração de cerca de 50 mg/l ou menos na água, tal como uma concentração de cerca de 10 mg/l ou menos na água. Em algumas modalidades, os sulfatos são reduzidos, como resultado de absorção e/ou adsorção na composição de carvão ativado biogê- nico, para uma concentração de cerca de 100 mg/l, 75 mg/l, 50 mg/l, 25 mg/l, 20 mg/l, 15 mg/l, 12 mg/l, 10 mg/l, 8 mg/l ou menos na corrente de efluente. Em algumas modalidades, o sulfato está presente primeiramente na forma de ânions de sulfato e/ou ânions de bissulfato. Dependendo do pH, o sulfato também pode estar presente na forma de sais de sulfato.
[0238]A água pode ser derivada de, parte de ou da totalidade de uma corrente de efluente. As correntes de efluente exemplificativas são àquelas que podem estar associadas a uma mineração de metal, drenagem ácida de mina, processamento de mineral, tratamento de esgoto municipal, celulose e papel, etanol ou qualquer outro processo industrial que pode descarregar os contaminantes que contêm enxofre para efluente. A água pode ser um corpo natural de água, tal como um lago, rio ou corrente. Em algumas modalidades, o processo é continuamente conduzido. Em outras modalidades, o processo é conduzido em batelada.
[0239]A composição de carvão ativado biogênico compreende 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; e 1% em peso ou menos de nitrogênio, em algumas modalidades. O aditivo pode ser selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos. O aditivo é fornecido como parte das partículas de carvão ativado e/ou é introduzido diretamente na água.
[0240]A etapa (d) pode incluir, mas não é limitada a, filtração da água, osmose da água e/ou adição direta (com sedimentação, clarificação, etc.) das partículas de carvão ativado para a água.
[0241]Quando a osmose é empregada, o carvão ativado pode ser usado de diversas maneiras dentro ou para auxiliar, um dispositivo de osmose. Em algumas modalidades, as partículas de carvão ativado e o aditivo são diretamente introduzida na água antes da osmose. As partículas de carvão ativado e o aditivo são opcionalmente empregadas na pré-filtração antes da osmose. Em certas modalidades, as partículas de carvão ativado e o aditivo são incorporadas em uma membrana para osmose.
[0242]A presente revelação também fornece um método de uso de uma composição de carvão ativado biogênico para remover um contaminante que contém enxofre de uma fase gasosa, em que o método compreende: (a) fornecer partículas de carvão ativado que compreende uma composição de carvão ativado biogênico; (b) fornecer uma corrente de emissões de fase gasosa que compreende pelo menos um contaminante que contém enxofre; (c) fornecer um aditivo selecionado para auxiliar na remoção do contaminante que contém enxofre a partir da corrente de emissões de fase gasosa; (d) introduzir as partículas de carvão ativado e o aditivo na corrente de emissões de fase gasosa, para adsorver ou absorver pelo menos uma porção do contami- nante que contém enxofre sobre as partículas de carvão ativado; e (e) separar pelo menos uma porção das partículas de carvão ativado da corrente de emissões de fase gasosa.
[0243]Em algumas modalidades, o contaminante que contém enxofre é selecionado a partir do grupo que consiste em enxofre elementar, ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, ânions de sulfato, ânions de bissul- fato, ânions de sulfito, ânions de bissulfito, tióis, sulfetos, dissulfetos, polissulfetos, tioéteres, tioésteres, tioacetais, sulfóxidos, sulfonas, tiossulfinatos, sulfimidas, sulfoximidas, sulfonadiiminas, haleto de enxofre, tiocetonas, tioaldeídos, óxidos de enxofre, ácidos tiocarbolíxicos, tioamidas, ácidos sulfônicos, ácidos sulfínicos, ácidos sulféni- cos, sulfônio, oxossulfônio, sulfuranos, persulfuranos, e combinações, sais ou derivados dos mesmos.
[0244]A composição de carvão ativado biogênico pode incluir 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; e um aditivo selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos. O aditivo pode ser fornecido como parte das partículas de carvão ativado ou pode ser introduzido diretamente na corrente de emissões de fase gasosa.
[0245]Em algumas modalidades, a corrente de emissões de fase gasosa é derivada da combustão de um combustível que compreende a composição de carvão ativado biogênico. Por exemplo, a corrente de emissões de fase gasosa pode ser derivada da combustão simultânea de hulha e da composição de carvão ativado biogê- nico.
[0246]Em algumas modalidades, a separação na etapa (e) compreende a filtração. Nessas e em outras modalidades, a separação na etapa (e) compreende precipitação eletrostática. Em qualquer uma dessas modalidades, a separação na etapa (e) pode incluir esfregamento, que pode ser esfregamento molhado, esfregamento seco ou um outro tipo de esfregamento.
[0247]A composição de carvão ativado biogênico pode compreender 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; e 0,2% em peso ou menos de enxofre. Em várias modalidades, o aditivo é selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos. O aditivo é fornecido como parte das partículas de carvão ativado, em algumas modalidades; alternativa ou adicionalmente, o aditivo pode ser introduzido diretamente na corrente de emissões de fase gasosa.
[0248]Em certas modalidades, a corrente de emissões de fase gasosa é derivada da combustão de um combustível que compreende a composição de carvão ativado biogênico. Por exemplo, a corrente de emissões de fase gasosa pode ser derivada da combustão simultânea de hulha e da composição de carvão ativado biogê- nico.
[0249]A composição de carvão ativado biogênico compreende 55% em peso ou mais de carbono total; 15% em peso ou menos de hidrogênio; 1% em peso ou menos de nitrogênio; 0,5% em peso ou menos de fósforo; e 0,2% em peso ou menos de enxofre, em algumas modalidades. O aditivo pode ser selecionado a partir de um ácido, uma base, um sal, um metal, um óxido de metal, um hidróxido de metal, um haleto de metal, iodo, um composto de iodo ou uma combinação dos mesmos. O aditivo pode ser fornecido como parte das partículas de carvão ativado. O aditivo pode ser opcionalmente introduzido diretamente na corrente de efluente.
[0250]As partículas de carbono com contaminante absorvido podem ser adi-cionalmente tratadas para regenerar as partículas de carvão ativado. Após a regeneração, as partículas de carvão ativado podem ser reutilizadas para a remoção de con- taminante ou podem ser usadas para um outro propósito, tal como, combustão para produzir energia. Em algumas modalidades, as partículas de carbono com contami- nante absorvido são diretamente oxidadas (sem regeneração) para produzir energia. Em algumas modalidades, com a oxidação que ocorre na presença de um dispositivo de controle de emissões (por exemplo, uma segunda quantidade de partículas de carvão ativado regenerado ou renovado) para capturar contaminantes liberados a partir da oxidação das partículas de carbono com contaminante absorvido.
[0251]Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico de acordo com a presente revelação pode ser usado em qualquer outra aplicação na qual o carvão ativado tradicional deve ser usado. Em algumas modalidades, o carvão ativado bio- gênico é usado como uma substituição total (isto é, 100%) por carvão ativado tradicional. Em algumas modalidades, o carvão ativado biogênico compreende essencialmente todo ou substancialmente todo o carvão ativado usado para uma aplicação particular. Em algumas modalidades, uma composição de carvão ativado compreende cerca de 1% a cerca de 100% de carvão ativado biogênico, por exemplo, cerca de 1%, cerca de 2%, cerca de 5%, cerca de 10%, cerca de 15%, cerca de 20%, cerca de 25%, cerca de 30%, cerca de 35%, cerca de 40%, cerca de 45%, cerca de 50%, cerca de 55%, cerca de 60%, cerca de 65%, cerca de 70%, cerca de 75%, cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, cerca de 96%, cerca de 97%, cerca de 98%, cerca de 99% ou cerca de 100% de carvão ativado biogênico.
[0252]Por exemplo e sem limitação, o carvão ativado biogênico pode ser usado— sozinho ou em combinação com um produto de carvão ativado tradicional— em filtros. Em algumas modalidades, um filtro compreende um componente de carvão ativado que consistem em, que consiste essencialmente em ou que consiste substancialmente em um carvão ativado biogênico. Em algumas modalidades, um filtro compreende um componente de carvão ativado que compreende cerca de 1% a cerca de 100% de carvão ativado biogênico, por exemplo, cerca de 1%, cerca de 2%, cerca de 5%, cerca de 10%, cerca de 15%, cerca de 20%, cerca de 25%, cerca de 30%, cerca de 35%, cerca de 40%, cerca de 45%, cerca de 50%, cerca de 55%, cerca de 60%, cerca de 65%, cerca de 70%, cerca de 75%, cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, cerca de 96%, cerca de 97%, cerca de 98%, cerca de 99% ou cerca de 100% de carvão ativado biogênico.
[0253]Em algumas modalidades, um leito recheado ou coluna recheada compreende um componente de carvão ativado que consiste em, que consiste essencialmente em ou que consiste substancialmente em um carvão ativado biogênico. Em algumas modalidades, um leito recheado ou uma coluna recheada compreende um componente de carvão ativado que compreende cerca de 1% a cerca de 100% de carvão ativado biogênico, por exemplo, cerca de 1%, cerca de 2%, cerca de 5%, cerca de 10%, cerca de 15%, cerca de 20%, cerca de 25%, cerca de 30%, cerca de 35%, cerca de 40%, cerca de 45%, cerca de 50%, cerca de 55%, cerca de 60%, cerca de 65%, cerca de 70%, cerca de 75%, cerca de 80%, cerca de 85%, cerca de 90%, cerca de 95%, cerca de 96%, cerca de 97%, cerca de 98%, cerca de 99% ou cerca de 100% de carvão ativado biogênico. Em tais modalidades, o carvão ativado biogênico tem um tamanho característico adequado para o leito recheado particular ou a coluna recheada particular.
[0254]A descrição acima não deve ser interpretada como limitante de qualquer maneira às aplicações potenciais do carvão ativado biogênico. A injeção de carvão ativado biogênico em correntes de gás pode ser útil para o controle de emissões de contaminante em correntes de gás ou correntes de líquido derivadas das plantas elétrica alimentada por hulha, plantas elétricas alimentadas por biomassa, plantas de processamento de metal, refinarias de óleo bruto, plantas químicas, plantas de polímero, plantas de celulose e papel, plantas de cimento, incineradoras de resíduo, plantas de processamento de alimentos, plantas de gaseificação e plantas de seringas.
[0255]Essencialmente qualquer local ou processo industrial que emprega combustíveis fósseis ou biomassa para geração de energia ou calor, pode se beneficiar do tratamento de gás pelo carvão ativado biogênico fornecido no mesmo. Para aplicações de fase líquida, uma ampla variedade de processos industriais que usam ou produzem correntes de líquido pode se beneficiar do tratamento pelo carvão ativado biogênico fornecido no mesmo.
[0256]Adicionalmente, quando o carvão ativado biogênico é coutilizado como uma fonte de combustível, em paralelo com seu uso para remoção de contaminante ou em série seguindo a remoção de contaminante (e, opcionalmente, seguindo alguma regeneração), o carvão ativado biogênico (i) tem emissões mais baixas por emissão de energia Btu do que os combustíveis fósseis; (ii) tem emissões mais baixas por emissão de energia Btu do que os combustíveis de biomassa; e (iii) pode reduzir as emissões dos combustíveis fósseis ou de biomassa quando coalimentadas com tais combustíveis. Nota-se que o carvão ativado biogênico também pode ser misturado com hulha ou outros combustíveis fósseis e, através da combustão simultânea, o carvão ativado permite emissões reduzidas de mercúrio, SO2 ou outros contaminan- tes.
EXEMPLO
[0257]Esse exemplo é apresentado com referência à Figura 1, que descreve as modalidades específicas e várias opções da presente revelação. Na Figura 1, as linhas continuas indicam correntes de material e as linhas pontilhadas indicam correntes de energia (calor). As operações de unidade denotadas com retângulos primeiramente produzem material, enquanto as operações de unidade denotadas com círculos produzem primeiramente energia (calor).
[0258]O sistema de biorrefinaria 100 inclui uma microplanta de carbono 101 e uma serraria como planta hospedeira 102, que pode ser separada por uma barreira física ou virtual 103. O resíduo de madeira 135 da fresagem 120 na serraria hospedeira é enviado para a microplanta de carbono 101, em que a mesma é seca no secador 110 e então alimentada para um reator de pirólise 105. No reator de pirólise 105, a madeira é carbonizada e então ativada com CO2 e vapor d'água do queimador de biogás 115. O queimador de biogás 115 utiliza o gás de exaustão de pirólise 155 como seu combustível. O calor 180 do queimador de biogás 115 é usado para secar a madeira no secador 110, o calor 175 do queimador de biogás 115 é usado para pirolisar o carbono no reator de pirólise 105 e o calor 185 do queimador de biogás 115 é usado para secar a madeira de construção em estufas 195 na serraria 102. A exalação de gases da pirólise 160 do reator de pirólise 105 também é usada na caldeira a carvão 130 na serraria hospedeira 102, que fornece calor 190 às estufas de madeira de construção 125 para produzir madeira de construção 195. O carvão ativado 140 pode ser recuperado para venda ou outros usos, enquanto uma porção de carvão ativado 145 pode ser usada para controlar as emissões de mercúrio 165 da caldeira a carvão 130 na serraria hospedeira 102, formando a corrente de emissões tratada 170.
[0259]Nessa descrição detalhada, a referência foi feita às múltiplas modalidades da revelação e os exemplos não limitantes em relação a como a revelação pode ser entendida e praticada. Outras modalidades que não fornecem todos os recursos e vantagens apresentados no presente documento podem ser utilizadas, sem se afastar do espírito e escopo da presente revelação. Esta revelação incorpora a experimentação de rotina e otimização dos métodos e sistemas descritos no presente documento. Tais modificações e variações são consideradas como estando dentro do escopo da revelação definida pelas reivindicações.
[0260]Todas as publicações, patentes e pedidos de patente citados neste relatório descritivo são incorporadas ao presente documento a título de referência em sua totalidade como se cada publicação, patente ou pedido de patente fosse especial ou individualmente apresentado no presente documento.
[0261]Nos casos em que os métodos e as etapas acima descritos indicam certos casos que ocorrem em determinada ordem, os indivíduos versados na técnica reconhecerão que a ordem de certas etapas pode ser modificada e que tais modificações estão de acordo com as variações da invenção. Adicionalmente, certas etapas podem ser realizadas simultaneamente em um processo paralelo quando for possível, bem como realizadas em sequência.
[0262]Portanto, na medida em que há variações da revelação que estejam dentro do espírito da revelação ou sejam equivalentes às invenções encontradas nas reivindicações, a intenção é que essa patente abranja também essas variações. A presente invenção deve ser apenas limitada pelo que é reivindicado.

Claims (16)

1. Processo para biorrefinamento para coproduzir carvão ativado juntamente com produtos primários, CARACTERIZADO pelo fato de que o processo compreende: converter, usando uma planta hospedeira, uma matéria-prima que compreende biomassa em um ou mais produtos primários e um ou mais coprodutos contendo carbono; pirolisar e ativar, usando um sistema de reator, os um ou mais coprodutos, gerando assim carvão ativado e gás de exaustão de pirólise; oxidar, usando uma unidade de oxidação, o gás de exaustão de pirólise, gerando assim CO2, H2O e energia; reciclar e utilizar pelo menos parte da energia na planta hospedeira; e reciclar e utilizar pelo menos parte do CO2 e/ou H2O no sistema de reator como um agente de ativação.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a planta hospedeira é selecionada dentre o grupo que consiste em uma serraria, uma fábrica de celulose, uma planta de papel e celulose, uma fábrica de moagem úmida de milho, uma fábrica de moagem seca de milho, uma planta de etanol de milho, uma planta de etanol celulósico, uma planta de etanol de cana-de-açúcar, uma planta de processamento de grão, uma instalação de produção de açúcar, uma planta de alimentos, uma instalação de processamento de nozes, uma instalação de processamento de frutas, uma instalação de processamento de vegetais, uma instalação de processamento de cereais e uma instalação de produção de bebidas.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a biomassa é selecionada dentre o grupo que consiste em lascas de madeira macia, lascas de madeira dura, resíduos da extração de madeira, ramos de árvore, pedaços de tronco de árvore, folhas, cortiça, serragem, milho, palha de milho, trigo, palha de trigo, arroz, palha de arroz, cana-de-açúcar, bagaço de cana-de-açúcar, palha de cana-de-açúcar, cana-energia, beterrabas sacarinas, polpa de beterraba sacarina, girassóis, sorgo, canola, algas, miscanto, alfafa, painço, frutas, cascas de frutas, talos de fruta, peles de fruta, caroços de fruta, vegetais, cascas de vegetal, talos de vegetal, peles de vegetal, caroços de vegetal, bagaço de uva, cascas de amêndoa, cascas de noz-pecã, cascas de coco, grãos de café, resíduos de alimento, resíduos comerciais, péletes de grama, péletes de feno, péletes de madeira, papelão, papel, polpa de papel, embalagem de papel, recortes de papel, embalagem de alimento, lig- nina, estrume de animal, resíduo sólido urbano, esgoto urbano e combinações dos mesmos.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os um ou mais coprodutos são selecionados dentre o grupo que consiste em resíduo de madeira, serragem, pós finos, cortiça, grãos de destilaria, sólidos residuais de fermentação, resíduos lignocelulósicos, lignina, cinzas contendo carbono e combinações dos mesmos.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende pirolisar e ativar, usando o sistema de reator, uma porção dos um ou mais produtos primários.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende pirolisar e ativar, usando o sistema de reator, uma porção da dita matéria-prima para a planta hospedeira.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende processar, usando o sistema de reator, de 10 ton/dia a 1.000 ton/dia em uma base seca, de 50 ton/dia a 500 ton/dia em uma base seca, e em que o sistema de reator é um sistema modular.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: (a) secar opcionalmente os um ou mais coprodutos para remover pelo menos uma porção da hidratação dos um ou mais coprodutos; (b) colocar em contato em contraconrrente mecanicamente, em uma ou mais zonas de reação indiretamente aquecidas, os um ou mais coprodutos com uma corrente de vapor que compreende um gás substancialmente inerte e um agente de ativação que compreende pelo menos um dentre água ou dióxido de carbono, gerando assim sólidos, vapores condensáveis e gases não condensáveis, em que os vapores condensáveis e os gases não condensáveis entram na corrente de vapor; (c) remover pelo menos uma porção da corrente de vapor da zona de reação, para gerar uma corrente de vapor separada; (d) reciclar pelo menos uma porção da corrente de vapor separada, ou uma forma termicamente tratada da mesma, para fazer contato com os um ou mais copro- dutos antes da etapa (b) e/ou conduzir a uma entrada de gás da(s) zona(s) de reação; e (e) recuperar pelo menos uma porção dos sólidos da(s) zona(s) de reação como carvão ativado.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de oxidação é um forno de combustão ou um reator catalítico.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de oxidação tem uma capacidade de geração de energia de cerca de 1 x 109 de Joules/hora (1 milhão de Btu/hora) a 5 x 1010 de Joules/hora (50 milhões de Btu/hora), preferivelmente de 1 x 1010 de Joules/hora (10 milhões de Btu/hora) a 2 x 1010 Joules/hora (20 milhões de Btu/hora).
11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende usar pelo menos parte da energia para secar a matéria-prima.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende usar pelo menos parte da energia para secar os um ou mais produtos primários e/ou os um ou mais coprodutos.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende usar pelo menos parte da energia para produzir vapor para uso na planta hospedeira.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende usar pelo menos parte da energia para produzir potência para uso na planta hospedeira ou para exportação de eletricidade.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende usar o calor contido no gás de exaustão de pirólise para uma ou mais etapas selecionadas dentre (i) secar os um ou mais produtos primários e/ou os um ou mais coprodutos; (ii) produzir vapor para uso na planta hospedeira; (iii) produzir potência para uso na planta hospedeira ou para exportação de eletricidade; e (iv) produzir calor para uso na planta hospedeira.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende reciclar e utilizar pelo menos parte da energia no sistema de reator como calor de ativação.
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