BR112017020338B1 - Metodo para resfriar um gas de s^ntese quente - Google Patents

Metodo para resfriar um gas de s^ntese quente Download PDF

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Abstract

A presente invenção refere-se a um método para resfriar um gás de síntese quente que contém pelo menos uma parte constituinte condensável, em particular, alcatrão, durante o qual o gás de síntese em um processo de resfriamento de múltiplos estágios atravessa um primeiro estágio de resfriamento, um segundo estágio de resfriamento e um terceiro estágio de resfriamento um após o outro e o gás de síntese após um resfriamento pelo menos parcial é pelo menos submetido a uma etapa de separação para separar a pelo menos uma parte constituinte condensável, o gás de síntese é resfriado no primeiro estágio de resfriamento a uma temperatura acima da temperatura de condensação da pelo menos uma parte constituinte condensável e o segundo estágio de resfriamento compreende a recirculação de uma quantidade parcial do gás de síntese ramificado após o terceiro estágio de resfriamento e a pelo menos uma etapa de separação no fluxo de gás de síntese.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método para resfriar um gás de síntese quente que contém pelo menos uma parte constituinte condensável, em particular, alcatrão, em que o gás de síntese em um processo de resfriamento de múltiplas etapas atravessa um primeiro estágio de resfriamento, um segundo estágio de resfriamento e um terceiro estágio de resfriamento um após o outro e o gás de síntese após um resfriamento pelo menos parcial ser submetido a pelo menos uma etapa de separação para separar a pelo menos uma parte constituinte condensável.
[002] A invenção, além disso, se refere a um dispositivo para realizar tal método.
[003] A invenção, em particular, se refere ao resfriamento de gás de síntese, que é produzido em uma usina de gaseificação com o uso de biomassa. O gás de síntese é, de modo geral, compreendido como sendo um gás cujas partes constituintes principais são CO e H2.
[004] Em particular, o gás de síntese a ser resfriado de acordo com a invenção se origina a partir de uma usina de gaseificação que compreende uma zona de gaseificação para receber um leito fluidizado estacionário e uma zona de combustão para receber um leito fluidizado de transporte, em que a zona de gaseificação e a zona de combustão são conectadas a outra em dois locais, em cada um, por meio de um dispositivo semelhante a travamento, tal como uma constrição ou um sifão para permitir a circulação do material do leito, em que a zona de gaseificação tem uma carga de abertura para o carregamento do material de combustão, uma descarga de gás e uma base de bocal para injetar, em particular, vapor ou CO2 e a zona de combustão tem um suprimento de ar para fluidizar o material do leito que entra na zona de combustão a partir da zona de gaseificação.
[005] Uma usina de gaseificação deste tipo tornou-se conhecido a partir da Publicação de Patente AT 405 937 B. Tal usina de gaseificação pode ser usada a fim de reciclar combustíveis e plásticos biogênicos, heterogêneos e extrato dos mesmos como gás de combustão livre de nitrogênio com alto valor calorífico na medida do possível ou gás de síntese, que é adequado para a geração de energia ou para a síntese de produtos orgânicos. O procedimento aqui é que o combustível é introduzido em uma zona de gaseificação formada como leito fluidizado estacionário, que é fluidizado por vapor e/ou CO2, e é desgaseificado sob exclusão de ar e parcialmente gaseificado por meio de reação com os gases de fluidização ou os meios de gaseificação (vapor e/ou CO2) e com a ajuda do calor do material do leito. O gás do produto que aumenta no processo é extraído e o material do leito resfriado com o combustível residual não gaseificado entra na zona de combustão através de dispositivos semelhantes ao travamento, tal como, por exemplo, uma constrição. Na zona de combustão, o material do leito com combustível residual é fluidizado pelo ar ao formar um leito fluidizado de circulação rápida e o combustível residual é queimado. Após a separação de gás residual de combustão em um ciclone, o material do leito é carregado através de dispositivos tipo travamento, tal como, por exemplo, um sifão, sobre a camada fluidizada estacionária da zona de gaseificação.
[006] Utilizando-se um material de leito que atua cataliticamente, em particular, em uma base de níquel e/ou nióbio, o gás formado durante a desgaseificação e gaseificação pode ser refinado, em que, praticamente apenas CO, CO2 e H2 como partes constituintes combustíveis, bem como vapor, estão presentes agora ou um gás rico em metano com alto valor calorífico é criado.
[007] O gás de síntese que deixa a usina de gaseificação tem uma temperatura de 600 a 800 °C e contém sólido, partes constituintes semelhantes a poeira e partes constituintes condensáveis, tal como, em particular, alcatrão. O gás de síntese, portanto, deve ser submetido a um resfriamento e uma limpeza. Em termos gerais, o procedimento aqui é que o gás de síntese é inicialmente resfriado em um dispositivo de resfriamento desde que as partes constituintes semelhantes à poeira possam ser separadas em um filtro, em particular, filtro de tecido. As contaminações de alcatrão são removidas em um depurador de gás a jusante, e o gás de síntese limpo e resfriado após a compressão por meio de sopradores, pode ser convertido diretamente em eletricidade em um motor a gás.
[008] Durante o resfriamento do gás de síntese que contém as partes constituintes condensáveis, em particular, alcatrão, surge um problema de que as partes constituintes condensáveis condensam e se instalam sobre o dispositivo de resfriamento, em particular, o respectivo trocador de calor que obstrui o mesmo após algum tempo, o que leva a uma paralisação da usina. No caso de alcatrão, a condensação a temperaturas de 200 a 500 °C pode ser observada. No entanto, o gás de síntese é vantajosamente já arrefecido antes da etapa de separação a um nível de temperatura abaixo de 200 °C, desde que tal nível de baixa temperatura dentro do escopo da etapa de separação permita o uso de filtros padrão para separar partes constituintes sólidas, em que tais filtros estão disponíveis a custos mais baixos do que os filtros especiais para aplicações de alta temperatura. Além disso, as temperaturas mais baixas resultam em uma redução do volume de gás de síntese, como resultado do qual a área de superfície de filtro cai, o que leva a economia de custos.
[009] Aqui, o resfriamento ocorre principalmente em uma pluralidade de estágios consecutivos a fim de manter a duração dos estágios de trocador de calor individuais dentro dos limites justificáveis e também ajustar de forma ideal a velocidade nos estágios individuais. Na região final do último trocador de calor, antes do estágio de separação, um ajuste do condensado pode ser observado durante um resfriamento abaixo da temperatura de condensação da pelo menos uma parte constituinte condensável.
[010] Há, portanto, o objetivo de criar um método e um dispositivo para resfriar gás de síntese com o qual um resfriamento do gás de síntese antes da etapa de separação a temperaturas abaixo da temperatura de condensação é possível sem o condensado que é produzido no processo que faz com que a usina seja prejudicada.
[011] Para solucionar este objetivo, a invenção fornece substancialmente um método do tipo mencionado no início em que o gás de síntese é resfriado no primeiro estágio de resfriamento a uma temperatura acima da temperatura de condensação da pelo menos uma parte constituinte condensável e o segundo estágio de resfriamento compreende a recirculação de uma quantidade parcial de gás de síntese ramificado após o terceiro estágio de resfriamento e após a pelo menos uma etapa de separação no fluxo de gás de síntese.
[012] Os estágios de resfriamento são, assim, configurados de modo que o gás de síntese no primeiro estágio de resfriamento resfrie simplesmente a uma temperatura acima da temperatura de condensação da pelo menos uma parte constituinte condensável, de modo que uma condensação de, por exemplo, alcatrão, neste estágio, seja evitada de modo seguro. Nesse estágio de resfriamento, os trocadores de calor convencionais podem ser usados desse modo. Nesse contexto, a invenção é, de preferência, desenvolvida adicionalmente de modo que o fluxo de gás de síntese no primeiro estágio de resfriamento seja conduzido através de pelo menos um, de preferência, dois trocadores de calor conectados em série. Particularmente, de preferência, trocadores de calor econômico de construção simples, tal como, por exemplo, um resfriador de escapamento tubular, podem ser empregados, particularmente, de preferência, no primeiro estágio de resfriamento. Em um resfriador de escapamento tubular, um tubo de escapamento que se estende, de preferência, de modo vertical, é fechado por uma camisa de resfriamento. Enquanto o gás de síntese a ser resfriado é conduzido através do tubo de fumaça, a camisa de resfriamento que flui através de um meio de resfriamento, tal como água, que é aquecida no tubo de fumaça.
[013] Um resfriamento adicional do gás de síntese, em particular, tal resfriamento abaixo da temperatura de condensação da pelo menos uma parte constituinte condensável de acordo com a invenção não ocorre agora em um trocador de calor adicional, mas misturando-se o gás de síntese frio ao fluxo principal do gás de síntese, como resultado do qual uma extinção do gás de síntese é alcançada. No processo, o gás de síntese frio é ramificado após o terceiro estágio de resfriamento e após a pelo menos uma etapa de separação e é, portanto, em grande parte, livre da pelo menos uma parte constituinte condensável, em particular, alcatrão. Devido ao fato de que o segundo estágio de resfriamento requer simplesmente um dispositivo de mistura para misturar o fluxo principal do gás de síntese com o gás de síntese frio recirculado, a ocorrência de condensação neste estágio de resfriamento pode ser prontamente aceita, visto que o risco de uma deposição de condensado é baixo e a mistura do gás de síntese recirculado, frio e limpo, leva a uma diluição correspondente, isto é, uma redução da proporção do condensado com base na quantidade total do gás de síntese.
[014] O gás de síntese frio e limpo que é recirculado é obtido, de preferência, após o mesmo ter atravessado um depurador de gás. Nesse contexto, a invenção é desenvolvida adicionalmente, de preferência, de tal forma que o terceiro estágio de resfriamento e a etapa de separação compreendam a depuração do gás de síntese em um depurador de gás.
[015] A etapa de separação pode compreender uma etapa de filtração para separar partes constituintes sólidas, em particular, além da depuração de gás mencionada. De preferência, a filtração é disposta a montante da depuração de gás.
[016] De preferência, propõe-se que o gás de síntese no primeiro estágio de resfriamento é resfriado a uma temperatura de > 280 °C. Essa é uma faixa de temperatura na qual, por exemplo, o alcatrão, não condensa ainda ou simplesmente a um grau menor.
[017] O procedimento preferencial é que o gás de síntese no segundo estágio de resfriamento seja resfriado a uma temperatura de <200 °C, em particular, 150 a 200 °C, isto é, a uma temperatura na qual, por exemplo, o alcatrão condensa.
[018] No terceiro estágio de resfriamento, o gás de síntese é resfriado, de preferência, a uma temperatura de 20 a 70°.
[019] Uma regulação de temperatura, de acordo com uma modalidade preferencial, é bem-sucedida em que a quantidade de gás de síntese recirculado é regulada como uma função de valores de medição de um sensor de temperatura disposto entre o segundo e o terceiro estágios de resfriamento. O sensor de temperatura mede, assim, a temperatura do gás de síntese após o segundo estágio de resfriamento (valor real), compara esse valor com o respectivo valor de ponto de ajuste desejado, em que como uma função do diferencial entre o ponto de ajuste e o valor real, a quantidade do gás de síntese frio recirculado é aumentada ou reduzida.
[020] De acordo com um aspecto adicional, a presente invenção se refere a um dispositivo para realizar o método de acordo com a invenção, que compreende um primeiro dispositivo de resfriamento para o primeiro estágio de resfriamento, um segundo estágio de resfriamento, um terceiro dispositivo de resfriamento para o terceiro estágio de resfriamento e pelo menos um dispositivo de separação para a etapa de separação disposta a jusante do segundo estágio de resfriamento em direção ao fluxo do gás de síntese. O dispositivo é caracterizado por o segundo estágio de resfriamento compreender uma linha de recirculação para recircular uma quantidade parcial de gás de síntese ramificada após o terceiro estágio de resfriamento e após o pelo menos um dispositivo de separação, no fluxo de gás de síntese.
[021] Uma modalidade preferencial do dispositivo propõe que o primeiro dispositivo de resfriamento compreenda pelo menos um, de preferência, dois trocadores de calor, que podem fluir um após o outro. O trocador de calor, neste caso, pode ser formado por um resfriador de fumaça tubular.
[022] O terceiro dispositivo de resfriamento e o dispositivo de separação compreendem vantajosamente um depurador de gás. O dispositivo de separação pode compreender adicionalmente um filtro para separar partes constituintes sólidas.
[023] A seguir, a invenção é explicada em mais detalhes por meio de uma modalidade exemplificativa mostrada esquematicamente no desenho.
[024] A Figura 1 mostra um fluxograma de uma usina para a gaseificação de biomassa, na medida em que a mesma é significativa para a explicação da presente invenção.
[025] A gaseificação ocorre em um gaseificador de leito fluidizado duplo do tipo descrito no documento AT 405 937 B. O gaseificador de leito fluidizado duplo compreende um reator de gaseificação 1 com uma zona de gaseificação 2 para receber um leito fluidizado 3. O reator de gaseificação 1 é suprido com biomassa, por exemplo, sob a forma de lascas de madeira. O suprimento é efetuado a partir de um recipiente de carga 4 por meio de um dispositivo de transporte 5, por exemplo, um transportador de parafuso ou pistão. No reator de gaseificação 1, a gaseificação da biomassa empregada ocorre à pressão atmosférica e temperaturas de aproximadamente 850 °C, em grande parte, sob a exclusão de oxigênio. O reator de gaseificação 1 tem uma base de bocal 7 para injetar, em particular, vapor ou CO2 e uma descarga de gás 6 para descarregar o gás de síntese que é criado na zona de gaseificação 2. Injetar vapor e/ou CO2 garante a circulação do leito fluidizado 3 e, assim, o mesmo aquecimento de combustível.
[026] O gaseificador de leito fluidizado duplo compreende uma câmara de combustão 8 para receber um leito fluidizado, em que o ar 9 é injetado. O reator de gaseificação 1 e a câmara de combustão 8 são conectados um ao outro na região de base por um dispositivo tipo travamento 10, de modo que o combustível gaseificado em parte e desgaseificado que afunda no reator de gaseificação 1 possa entrar na câmara de combustão 8 juntamente com o material do leito. Na câmara de combustão 8, uma combustão do combustível suprido através do dispositivo tipo travamento 10 ocorre, como resultado do qual a temperatura do leito fluidizado da câmara de combustão 8 aumenta. O material do leito é separado do gás de escape em um ciclone 11. O gás de escape é descarregado em 12 e quando apropriado alimentado a um tratamento de gás de escape. O material do leito é conduzido através de um sifão 13 de volta para o reator de gaseificação 1 onde o mesmo provoca a entrada de calor.
[027] O material do leito pode, por exemplo, consistir em olivina e cinza, que circula no circuito através do reator de gaseificação 1 e da câmara de combustão 8. Os dois sistemas de leito fluidizado do reator de gaseificação 1 e da câmara de combustão 8 são, assim, conectados por um circuito de material do leito, em que a troca de gás é impedida pelo sifão 13.
[028] O gás de síntese que contém calor, poeira e alcatrão é inicialmente resfriado nos trocadores de calor 14 e 15, desde que o alcatrão ainda não condense, como resultado do qual depósitos no trocador de calor 15 são impedidos. Em seguida, partes constituintes semelhantes a poeira são separadas em um filtro de tecido 16. A proporção principal das contaminações de alcatrão é, então, removida no depurador de gás 17 e o gás de síntese, após a compressão por meio do soprador 18, pode ser diretamente convertido em eletricidade em um motor a gás 19. O gás de síntese em excesso é alimentado a um conduto de gás 20. O biodiesel pode ser usado, por exemplo, como meio de lavagem para o depurador de gás 17, que é alimentado ao depurador de gás em 21, e em que as partes constituintes de alcatrão dissolvem de modo favorável.
[029] Uma quantidade parcial de gás de síntese limpo e resfriado é ramificado em 22 e recirculado para o fluxo de gás de síntese, em 23, isto é, entre o trocador de calor 15 e o filtro de tecido 16. Por causa da mistura do gás de síntese proveniente do trocador de calor 15 com o gás de síntese recirculado, um resfriamento é alcançado que, eventualmente, leva a uma condensação das partes constituintes de alcatrão.
[030] Desse modo, um total de três estágios de resfriamento são realizados. No primeiro estágio de resfriamento, o gás de síntese é resfriado nos trocadores de calor 14 e 15 de mais do que 800 °C a aproximadamente 250 a 300 °C. O segundo estágio de resfriamento é alcançado misturando-se o gás de síntese com a quantidade de gás de síntese recirculado em 23, em que esse processo de extinção causa um resfriamento do gás de síntese a 150 a 200 °C. No terceiro estágio de resfriamento, o gás de síntese é resfriado no depurador de gás 17 a aproximadamente 20 a 60 °C.

Claims (14)

1. Método para resfriar um gás de síntese quente que contém pelo menos uma parte constituinte condensável, em particular, alcatrão, em que o gás de síntese em um processo de resfriamento de múltiplos estágios atravessa um primeiro estágio de resfriamento, um segundo estágio de resfriamento e um terceiro estágio de resfriamento um após o outro e o gás de síntese, após um resfriamento pelo menos parcial, é submetido a pelo menos uma etapa de separação para separar a pelo menos uma parte constituinte condensável, caracterizado poro gás de síntese no primeiro estágio de resfriamento ser resfriado a uma temperatura acima da temperatura de condensação da pelo menos uma parte constituinte condensável e no segundo estágio de resfriamento compreender a recirculação de uma parte da quantidade de gás de síntese ramificada após o terceiro estágio de resfriamento e após pelo menos uma etapa de separação, no fluxo de gás de síntese.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado poro gás de síntese no primeiro estágio de resfriamento ser conduzido através de pelo menos um, de preferência, dois trocadores de calor (14, 15) e fluir através de um após o outro.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o terceiro estágio de resfriamento e a etapa de separação compreenderem a depuração do gás de síntese em um depurador de gás (17).
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pora etapa de separação compreender uma filtração para separar partes constituintes sólidas.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado poro gás de síntese ser resfriado até uma temperatura de > 280 °C no primeiro estágio de resfriamento.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado poro gás de síntese ser resfriado até uma temperatura de <200 °C, em particular, 150 a 200 °C no segundo estágio de resfriamento.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado poro gás de síntese ser resfriado até uma temperatura de 20 a 70 °C no terceiro estágio de resfriamento.
8. Método, de acordo com qualquer uma as reivindicações 1 a 7, caracterizado pora quantidade de gás de síntese recirculado ser regulada como uma função de valores de medição de um sensor de temperatura disposto entre o segundo e o terceiro estágio de resfriamento.
9. Dispositivo para realizar um método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, que compreende um primeiro dispositivo de resfriamento para o primeiro estágio de resfriamento, um segundo estágio de resfriamento, um terceiro dispositivo de resfriamento para o terceiro estágio de resfriamento e pelo menos um dispositivo de separação para a etapa de separação disposta a jusante do segundo estágio de resfriamento na direção de fluxo do gás de síntese, caracterizado poro segundo estágio de resfriamento compreender uma linha de recirculação para recircular uma quantidade parcial de gás de síntese ramificado após o terceiro estágio de resfriamento e o pelo menos um dispositivo de separação no fluxo de gás de síntese.
10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o primeiro dispositivo de resfriamento compreender pelo menos um, de preferência, dois trocadores de calor (14, 15) que podem fluir um após o outro.
11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o trocador de calor (14, 15) ser formado por um resfriador de escapamento tubular.
12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, 10 ou 11, caracterizado poro terceiro dispositivo de resfriamento e o dispositivo de separação compreenderem um depurador de gás (17).
13. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado poro dispositivo de separação compreender um filtro para separar partes constituintes sólidas.
14. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado porentre o segundo e o terceiro estágios de resfriamento um sensor de temperatura para medir a temperatura do gás de síntese ser disposto, cujos valores de medição serem alimentados a uma unidade de controle que é formada com um elemento de regulação para ajustar a quantidade de gás de síntese recirculado como uma função dos valores de medição.
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