BR112017026985B1

BR112017026985B1 - Queimadores para reator de redução que permite a ocorrência separada de reação de oxidação e reação de redução e sistema de reciclagem de gás de síntese utilizando o mesmo

Info

Publication number: BR112017026985B1
Application number: BR112017026985-6A
Authority: BR
Inventors: Yeon CHANG
Original assignee: Sang Won Kim; WR System Co., LTD; Yeon Chang
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2021-06-29
Also published as: EP3312262A4; KR101604679B1; RU2678680C1; JP2018527547A; PH12017502263A1; WO2016204393A2; MY190924A; WO2016204393A3; ZA201708153B; SA517390533B1; JP6654777B2; MX2017016435A; US10071908B2; AU2016278441A1; BR112017026985A2; US20160370003A1; CA2989998C; CN106256885A; IL255963A; CA2989998A1

Abstract

QUEIMADORES PARA REATOR DE REDUÇÃO QUE PERMITE A OCORRÊNCIA SEPARADA DE REAÇÃO DE OXIDAÇÃO E REAÇÃO DE REDUÇÃO E SISTEMA DE RECICLAGEM DE GÁS DE SÍNTESE UTILIZANDO O MESMO. É descrito um conjunto de queimadores para um reator de redução (100) que inclui uma pluralidade de queimadores (200). Cada queimador (200) pode ter um orifício de alimentação de combustível (210) e uma pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio (220) formados no mesmo, e o combustível pode incluir um gás ou pós de carvão. A pluralidade de queimadores (200) está disposta na parede (101) do reator de redução (100) para permitir que a temperatura interna no reator de redução (100) atinja um valor acima de 1200ºC. O reator de redução (100) tem uma região de redução que se comunica com a região de combustão do queimador (200). Adicionalmente é descrito um sistema de reciclagem de gás de síntese utilizando os mesmos.

Description

ANTECEDENTES CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um conjunto de queimadores para um reator de redução e, mais particularmente, um conjunto de queimadores para permitir que reatores de reações híbridas (reações de oxidação e redução), incluindo todos os reatores de oxidação tais como incineradores, etc. e aparelhos de gaseificação de carvão convencionais, sejam convertidos em um reator de redução nos quais ocorre apenas uma reação de redução, onde em um espaço de reação de cada queimador da matriz ocorre apenas a reação de oxidação enquanto em outro espaço de reação do reator ocorre apenas uma reação de redução e onde o espaço de oxidação se comunica com o espaço de redução, por onde os vários resíduos fluidos de materiais orgânicos ou carvões podem ser completamente decompostos sem produzir quaisquer subprodutos tóxicos através de uma reação de redução e, assim, um gás de síntese (mistura de gás de H2 e CO) com alta pureza pode ser produzido a partir de carvões ou resíduos de materiais orgânicos sem tratamento secundário. Além disso, a presente invenção refere-se a um sistema de reciclagem de gás de síntese incluindo o presente conjunto de queimadores para este reator de redução.

DISCUSSÃO DA ARTE RELACIONADA

[0002] Geralmente, todos os tipos de reatores de oxidação industrialmente disponíveis (reatores de combustão), por exemplo, incineradores de resíduos industriais, sistemas de geração de energia de ciclo combinado, incineradores de resíduos hospitalares, empregam principalmente materiais de isolamento térmico com resistência a uma temperatura mais baixa (abaixo de 1200°C) no ambiente de oxidação e empregam um queimador como fonte de calor. Tais reatores de oxidação decompõem resíduos industriais ou resíduos hospitalares por meio de uma reação de oxidação onde os resíduos industriais ou resíduos hospitalares são queimados em incineradores para ter volumes menores nos reatores de oxidação. Isso acontece devido à falta de conhecimento sobre uma decomposição usando uma reação de redução.

[0003] No entanto, quando resíduos de materiais contendo cloro, tais como PVC, são decompostos utilizando os reatores de oxidação disponíveis industrialmente, muitas dioxinas tóxicas são produzidas como subproduto. Entre os tipos de dioxina, pode ser citada como exemplo, tetrachlordibenzo p-dioxina (TCDD) usada como um desfolhante ou herbicida, a qual, com apenas 1 g, pode matar vinte mil pessoas, cada pessoa com 50 kg de peso. O TCDD pode ser 1000 vezes mais tóxico do que cianeto de potássio.

[0004] Desta forma, o PVC pode atuar como a maior fonte de dioxina dentre os resíduos urbanos. Além disso, quando os resíduos de PVC são incinerados, não só a dioxina, mas pelo menos 75 espécies de subprodutos de combustão são geradas, incluindo substâncias aromáticas cancerígenas, tais como monômeros de cloreto de vinila, clorobenzeno, benzeno, tolueno, xileno e naftaleno. Ainda mais, quando os resíduos de PVC são incinerados, ingredientes prejudiciais podem ser descarregados, incluindo ftalatos adicionados como plastificantes e que são substâncias suspeitas como um disruptor endócrino no organismo humano, e estabilizadores de metal, como o chumbo, cádmio, etc., os quais são adicionados para inibir a taxa de decomposição. De uma forma especial, deve ser levado em conta que o PVC pode atuar como a maior fonte de chumbo e cádmio entre os resíduos urbanos uma vez que uma grande quantidade de metais pesados é adicionada como estabilizadores de reação.

[0005] De acordo com a lista de substâncias perigosas publicada pela "Food and Drug Administration", durante a incineração de compostos orgânicos contendo cloro (matérias-primas de PVC), a dioxina é produzida por combustão incompleta de gases de origem e/ou reações heterogêneas de cinzas em suspensão em zonas mais frias (250°C a 450°C). Além disso, durante um processo de pós-combustão com uma temperatura de operação de cerca de 250°C a 300°C após o processo de incineração, a dioxina é novamente produzida devido a um efeito catalítico do cloreto de metal nas cinzas em suspensão.

[0006] Devido ao exposto acima, embora a dioxina seja submetida a um processo de decomposição secundário a uma temperatura elevada acima de 1200°C é muito provável que a mesma dioxina seja novamente produzida à medida que a temperatura de operação se torna cada vez mais baixa. Durante o processo de incineração, a decomposição também pode não acontecer em zonas nas quais o oxigênio não atinge. Além disso, algumas dessas zonas precisam ser submetidas a um processo que acontece em baixa temperatura. Desta forma, durante o processo de incineração, é impossível suprimir completamente a criação de dioxinas.

[0007] Muitos estudos descobriram que durante a incineração de resíduos, uma variedade de compostos secundários pela oxidação é produzida. Por esse motivo, estudos adicionais se concentram em como decompor os compostos secundários produzidos pela oxidação.

[0008] Adicionalmente, em um sistema de gaseificação de carvão tal como o sistema IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), com base no conhecimento de que uma reação de redução ocorre acima de certa temperatura (cerca de 1200°C), um processo secundário é desenvolvido do seguinte modo: primeiro, o carvão em forma de pó a ser gasificado é submetido a uma oxidação em um único espaço de reação para gerar calor até que este atinja uma temperatura elevada acima de 1200°C; o fornecimento de oxigênio é bloqueado quando o calor atinge uma temperatura acima de 1200°C; após isso, os pós de carvão ainda não queimados são submetidos a uma reação de redução ainda nessa temperatura elevada, de modo que as reações de oxidação e redução ocorrem no mesmo espaço de reação.

[0009] No sistema de gaseificação do carvão, a reação de redução ocorre da seguinte forma:

[0010] Em um reator de tipo reação de redução: (ΔH: positivo) acima de 1200°C:

[0011] A reação de redução acima é uma reação endotérmica. A este respeito, como mostrado no gráfico da FIG. 8, para todas as substâncias contendo carbono, acima da temperatura de 1200°C a 1300°C, todos os carbonos são convertidos em CO e todo o hidrogênio é convertido em H2.

[0012] No sistema de gaseificação de carvão, ocorrem principalmente três reações como se pode observar a seguir: em primeiro lugar, os pós de carvão e oxigênio são levados a reagir um com o outro como uma reação exotérmica para gerar uma energia térmica acima de 1200°C por meio de uma reação de oxidação (neste contexto, vapor quente de H2O é adicionado e assim este vapor atinge a temperatura acima de 1200°C, de modo que a temperatura interna no reator também atinge a temperatura acima de 1200°C); em segundo lugar, juntamente com a interrupção de fornecimento de oxigênio, ocorre a reação de redução à temperatura acima de 1200°C; e em terceiro lugar, um composto secundário é produzido a uma temperatura relativamente baixa.

[0013] Quando as duas reações de oxidação (geração de energia térmica) e de redução (gaseificação) ocorrem no mesmo espaço, não só um gás de síntese (mistura de gás de H2 e CO), mas substâncias criadas pela oxidação são criadas como gás de ácido sulfuroso SO2, partículas em suspensão, óxidos de nitrogênio NOx, vários compostos orgânicos (dioxina, hidrocarbonetos, compostos orgânicos voláteis (COV)), mercúrio, arsênico, chumbo, cádmio e similares.

[0014] A FIG. 1 mostra uma vista esquemática de um reator de oxidação em um estado de combustão com oxidação a quente com um queimador convencional de acordo com a técnica anterior. A FIG. 2 mostra uma vista esquemática ampliada do queimador na FIG. 1 em um estado de combustão.

[0015] Como mostrado na FIG. 1, o reator de combustão (10) pode ter um queimador (20) convencional disposto na parte superior, o queimador (20) possui um orifício de alimentação de combustível (22) e primeiros orifícios de alimentação de oxigênio (23) em seu corpo. O reator de combustão (10) tem segundos orifícios de alimentação de oxigênio (11) separados e dispostos na lateral do mesmo. Quando o oxigênio é fornecido em uma quantidade suficiente no espaço de reação do reator de combustão (10) por meio dos primeiros orifícios de alimentação de oxigênio (23) e pelos segundos orifícios de alimentação de oxigênio (11), a reação de combustão ocorre neste espaço de reação.

[0016] O queimador (20) convencional tem uma porção de topo (21) que possui um espaço de combustão muito curto formado em uma das suas extremidades. Ou seja, a porção de topo (21) não tem um espaço de combustão separado. Após a ignição do queimador (20), a chama na porção de topo (21) atinge diretamente a substância a ser decomposta no espaço de reação do reator de combustão (10) para que esta substância seja queimada.

[0017] No reator de combustão (10) utilizando o queimador (20) convencional, o oxigênio está presente em seu espaço de reação e a chama atinge diretamente a substância a ser decomposta neste espaço de reação do reator de combustão (10) para queimar a substância. Por exemplo, um material orgânico contendo carbono CnH2n é queimado usando o oxigênio. Desta forma, tanto a reação de oxidação como a reação de redução (a reação de redução pode ocorrer parcialmente na região a qual atinge uma temperatura acima de 1200°C) podem ocorrer no mesmo espaço. Isso leva à criação de vários óxidos e compostos secundários.

[0018] De modo mais específico, além de dioxina, aromáticos cancerígenos (PAHs), tais como tolueno, ou naftaleno, benzeno, monômero de cloreto de vinilo, xileno, clorobenzeno, um gás ácido sulfuroso SO2, um nitreto NO2, dióxido de carbono CO2, etc. são produzidos. Quando tais óxidos e compostos secundários são descarregados na atmosfera sem qualquer tratamento, causam grave poluição atmosférica e esta poluição ambiental pode ser muito problemática. Desta forma, uma grande parte do custo do processo é gasto em tratamento posterior de filtragem destes compostos para que possam ser descarregados em uma forma ecologicamente aceita.

[0019] Adicionalmente, muito combustível precisa ser usado para que o queimador promova uma boa combustão, e o oxigênio deve ser alimentado continuamente para queimar diretamente a substância a ser decomposta. Isso também acarreta um custo significativo de combustível e oxigênio.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO PROPÓSITO TÉCNICO

[0020] De acordo com as considerações feitas durante as situações expostas acima, a presente invenção proporciona um conjunto de queimadores para um reator de redução no qual ocorre apenas uma reação de redução e, no espaço de reação de cada queimador do conjunto, apenas ocorre a reação de oxidação, no qual o espaço de oxidação se comunica de forma fluidizada com o espaço de redução, no qual os vários resíduos de materiais orgânicos ou carvões são completamente decompostos sem produzir quaisquer subprodutos tóxicos por meio de reação de redução e, ao mesmo tempo, produz um gás de síntese (mistura de gás de H2 e CO) com um alto teor de pureza a partir destes carvões ou resíduos de materiais orgânicos sem necessidade de um tratamento secundário.

[0021] Além disso, a presente invenção proporciona um sistema de reciclagem de gás de síntese que inclui o conjunto de queimadores acima descrito para o reator de redução, no qual este gás de síntese é produzido continuamente no reator de redução e o gás de síntese produzido é novamente retornado e fornecido para cada queimador do conjunto de queimadores, permitindo assim a reciclagem de gás de síntese.

[0022] Ou seja, os vários resíduos de materiais orgânicos ou carvões são completamente decompostos através da reação de redução e, ao mesmo tempo, um gás de síntese (mistura de gás de H2 e CO) com alta pureza é produzido a partir destes carvões ou resíduos de materiais orgânicos. Em seguida, este gás de síntese é reciclado de modo a economizar o custo de combustível.

SOLUÇÕES TÉCNICAS

[0023] De acordo com a presente invenção, a porção de topo do queimador tem um espaço de combustão alongado formado numa das suas extremidades, e este espaço de combustão alongado tem um comprimento suficiente de tal modo que a oxidação ou a combustão ocorre apenas neste espaço de combustão alongado no momento de ignição do combustível fornecido pelo orifício de alimentação de combustível e de modo que o oxigênio seja completamente consumido por oxidação ou combustão quando o queimador está aceso.

[0024] Em um aspecto da presente invenção, é apresentada uma concretização de conjunto queimador para um reator de redução, no qual um conjunto queimador inclui vários queimadores dispostos na parede de um reator de redução para permitir que no interior deste reator de redução a temperatura acima de 1200°C seja atingida, em que este reator de redução tenha um espaço de reação formado em seu interior, que cada queimador tenha um orifício de alimentação de combustível, assim como uma pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio formados no mesmo, que cada queimador tenha uma porção de topo, a qual possui um espaço de combustão alongado formado em uma das suas extremidades, onde o espaço de combustão tem comunicação por fluido com o espaço de reação do reator, onde o espaço de combustão alongado possui um comprimento tal que o oxigênio fornecido pelos orifícios de alimentação de oxigênio ao mesmo seja completamente consumido por oxidação ou combustão somente neste alongado espaço de combustão após a ignição do queimador, no qual os combustíveis não queimados e moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2 geradas através da reação de oxidação no espaço de combustão alongado fluem para o espaço de reação do reator de redução, onde apenas uma reação de redução das moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2 ocorre em temperatura acima de 1200°C aproveitando o calor de radiação gerado a partir do queimador.

[0025] Um exemplo de reação de redução é apresentado a seguir:

[0026] Em um aspecto da presente invenção, é descrito um sistema de reciclagem de gás de síntese que compreende: um reator de redução configurado para receber um material orgânico CnH2n contendo carbono e decompor este material orgânico por meio de uma reação de redução acima de 1200°C; o reator de redução ter uma saída de gás de síntese formada na parte superior ou porção de topo do mesmo; o conjunto de queimadores como descrito mais acima; um módulo de arrefecimento e compressão configurado para arrefecer e comprimir o gás de síntese recolhido através de uma linha de reciclagem de gás a partir da saída de gás de síntese; um tanque de armazenamento configurado para receber e armazenar o gás resfriado e comprimido do módulo de resfriamento e compressão e para permitir a reciclagem deste gás de síntese armazenado ao conjunto do queimador; e um gerador de oxigênio configurado para gerar oxigênio e fornecer o oxigênio aos orifícios de alimentação de oxigênio.

[0027] De acordo com uma possível concretização da presente invenção, por exemplo, quando o PVC é submetido a um tratamento de decomposição, ocorrem as seguintes reações no interior do reator:

[0028] Onde n(C2H3Cl) refere-se ao PVC e 6H2 + 4CO refere-se a um gás de síntese (mistura de gás H2 e CO).

[0029] O PVC pode ser reduzido com o vapor de água quente 3H2O e dióxido de carbono quente 3CO2 para formar o gás de síntese de H2 + CO (mistura de gás H2 e CO). Neste contexto, CaO pode ser adicionado. Deste modo, o PVC pode ser reduzido novamente com CaO para formar um sal neutro de CaCl2. Desta forma, o PVC pode ser decomposto de forma ecológica sem produzir uma substância tóxica, como a dioxina.

[0030] Com o emprego da presente invenção, todos os resíduos de materiais orgânicos, incluindo o PVC, podem ser decompostos por meio de reações de redução sem produzir um composto secundário. Quando a presente invenção é aplicada a um sistema de gaseificação de carvão, apenas a reação de redução ocorre no espaço de reação do reator de decomposição. Assim, pode dispensar um tratamento adicional para o composto secundário que, de outra forma, pode ser produzido através da reação de oxidação. Além disso, o gás de síntese com alta pureza é produzido massivamente. Isso permite que os carvões atuem como uma nova fonte de energia limpa.

[0031] Em particular, devido haver uma separação entre as reações de oxidação e redução, compostas tóxicos adicionais resultantes da oxidação (por exemplo, PHAs, dioxinas, etc.) não são produzidos. Além disso, os carvões e os compostos orgânicos tóxicos (por exemplo, óleo usado, resíduos de pneus, PVC, PCBS, resíduos hospitalares, etc.) podem ser decompostos através da reação de redução de modo a produzir gás de síntese. Isto possibilita que a presente invenção seja aplicada a todos os tipos de reatores que usem redução em alta temperatura.

[0032] Além disso, enquanto o queimador para o reator de redução funciona continuamente, a reação de redução também ocorre continuamente no espaço de decomposição para produzir continuamente gás de síntese limpo. Uma parte deste gás limpo pode ser retornado como combustível para o queimador do reator de redução, permitindo a reciclagem deste gás de síntese. Além disso, o gás de síntese remanescente pode ser usado para formar um gás metano ("SNG": Gás Natural Sintético).

[0033] Adicionalmente, a presente invenção permite um tratamento simples e fácil para uma substância de baixo nível radioativo (principalmente em substância com revestimento orgânico). Isto é, quando uma substância de revestimento orgânico é contaminada com uma substância radioativa (U, Ce), o resíduo de revestimento radioativo orgânico pode ser submetido à gasificação por redução de acordo com a presente invenção para que seja obtido o gás de síntese a partir do qual U e/ou Ce são filtrados subsequentemente. Isso pode resultar em uma redução notável dos resíduos de revestimento radioativo orgânico.

[0034] Quando a presente invenção é aplicada à decomposição de resíduos de revestimento orgânico radioativo, as principais reações químicas que ocorrem são as seguintes:

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0035] A FIG. 1 mostra uma vista esquemática de um regime de combustão em um reator de oxidação a quente com um queimador convencional de acordo com a técnica anterior.

[0036] A FIG. 2 mostra uma vista esquemática ampliada de um regime de combustão do queimador da FIG. 1.

[0037] A FIG. 3 mostra uma vista em corte lateral de uma configuração interna de um reator de redução com um queimador de acordo com uma forma de concretização da presente invenção.

[0038] A FIG. 4 mostra uma vista ampliada para ilustrar um regime de combustão de cada queimador do conjunto de queimadores para o reator de redução da FIG. 3.

[0039] A FIG. 5 mostra uma vista em corte lateral de uma porção de topo de cada queimador do conjunto de queimadores para o reator de redução de acordo com uma forma de concretização da presente invenção.

[0040] A FIG. 6A mostra uma vista lateral em corte transversal de um queimador para o reator de redução empregando um combustível gasoso com um queimador auxiliar de ignição de acordo com uma forma de concretização da presente invenção.

[0041] A FIG. 6B mostra uma vista em corte lateral de um queimador para o reator de redução empregando pós de carvão como combustível e tendo um queimador auxiliar de ignição de acordo com uma forma de concretização da presente invenção.

[0042] A FIG. 7 mostra um sistema de reciclagem de combustível de acordo com uma forma de concretização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0043] A partir daqui, as formas de concretização para a presente invenção serão descritas em detalhes com referência aos desenhos acima relacionados e que são parte integrante do presente relatório.

[0044] A FIG. 3 mostra uma vista em corte lateral de uma configuração interna do reator de redução com uma disposição de queimador de acordo com uma concretização da presente invenção. A FIG. 4 mostra uma vista ampliada para descrever um regime de combustão de cada queimador do conjunto de queimadores para o reator de redução na FIG. 3. A FIG. 5 mostra uma vista em corte lateral de uma porção de topo de cada queimador do conjunto de queimadores para o reator de redução de acordo com uma concretização da presente invenção, em que a porção de topo tem um espaço de combustão alongado formado em uma extremidade e tem um comprimento suficiente de modo que a chama é formada apenas neste espaço de combustão alongado.

[0045] De acordo com uma concretização da presente invenção, o conjunto de queimadores para o reator de redução (100) inclui uma pluralidade de queimadores (200). Cada queimador (200) pode ter um orifício de alimentação de combustível (210) e uma pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio (220) formados no mesmo, e o combustível pode incluir um gás ou pós de carvão. A pluralidade de queimadores (200) podem estar dispostos na parede (101) do reator de redução (100) para permitir que a temperatura interna no reator de redução (100) atinja um valor acima de 1200°C. O reator de redução (100) tem uma região de redução que se comunica com a região de combustão do queimador (200).

[0046] De acordo com uma concretização da presente invenção, a porção de topo (201) do queimador (200) tem um espaço de combustão alongado (202) formado em uma das suas extremidades e o espaço de combustão alongado (202) tem um comprimento suficiente de modo que a oxidação ou combustão ocorre apenas neste espaço de combustão alongado (202) no momento da queima do combustível no orifício de alimentação de combustível (210). O oxigênio na pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio (220) é fornecido no espaço de combustão alongado (202) em uma quantidade menor do que a quantidade de oxigênio correspondente à oxidação completa ou à combustão da quantidade de combustível fornecida, de modo que o oxigênio possa ser completamente consumido apenas no espaço de combustão alongado (202). Depois disso, os combustíveis que não foram queimados completamente C, CO e H2 no espaço de combustão alongado (202) assim como moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2 geradas através da reação de oxidação no espaço de combustão alongado (202) fluem para o espaço de reação do reator de redução (100), onde apenas uma reação de redução ocorre em temperatura acima de 1200°C aproveitando o calor de radiação do queimador, e onde a reação de redução das moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2 ocorrem. Assim, de maneira substancial, apenas a oxidação pode ocorrer no espaço de combustão alongado (202), enquanto que também de maneira substancial apenas a redução pode ocorrer no espaço de reação do reator (100).

[0047] Em outras palavras, o espaço de combustão alongado (202) tem um comprimento suficiente de tal modo que o oxigênio fornecido a partir dos orifícios de alimentação de oxigênio (220) é completamente consumido por oxidação ou combustão junto com os combustíveis fornecidos a partir do furo de alimentação de combustível (210) apenas no espaço de combustão alongado (202) após a ignição do queimador (200). Juntamente com esta configuração, o oxigênio fornecido a partir dos orifícios de alimentação de oxigênio (220) para o espaço de combustão alongado (202) tem uma quantidade menor que a quantidade de oxigênio correspondente para uma combustão completa ou oxidação da quantidade de combustível fornecida do orifício de alimentação de combustível (210) para o espaço de combustão alongado (202). Assim, é assegurado que o oxigênio é completamente consumido apenas no espaço de combustão alongado (202).

[0048] Em especial, o oxigênio é substancialmente consumido de forma total apenas no espaço de combustão alongado (202). Deste modo, juntamente com o calor de radiação, os combustíveis não queimados C, CO, H2 no espaço de combustão alongado (202) e as moléculas de H2O e/ou as moléculas de CO2 geradas através da oxidação no espaço de combustão alongado (202) fluem para o espaço de reação do reator de redução (100). Ou seja, nenhum oxigênio flui do espaço de combustão alongado (202) para o espaço de reação do reator de redução (100).

[0049] A FIG. 6A mostra uma vista em corte lateral de um queimador (200) para um reator de redução empregando um combustível gasoso e que possui um queimador auxiliar de ignição de acordo com uma concretização da presente invenção. Nas figuras 6A e 6B, o número de referência (300) refere-se ao queimador de ignição auxiliar na porção de topo do queimador auxiliar (301) através do qual o oxigênio é alimentado para o espaço de combustão. O número de referência (302) refere-se a uma vela de ignição do queimador auxiliar de ignição (300). Neste contexto, um material orgânico CnH2n contendo um carbono pode ser fornecido no espaço de reação do reator de redução (100).

[0050] A parede externa do reator de redução (100) pode preferencialmente ser feita de um material resistente a choque térmico e que não seja decomposto por alta temperatura e atmosfera de redução. Um exemplo de material resistente ao choque térmico pode incluir uma mistura de óxidos e resinas de alumina. No entanto, a presente invenção não está limitada a esse tipo de material. Um sensor de temperatura, o qual é instalado na região de atmosfera de redução de alta temperatura, pode incluir um sensor de temperatura (110) confeccionado em platina ou liga de platina-ródio. No entanto, a presente invenção não está limitada a esses materiais. O sensor de temperatura (110) pode ser feito de qualquer liga com alta qualidade.

[0051] De acordo com uma concretização da presente invenção, o oxigênio fornecido a partir dos orifícios de alimentação de oxigênio (220) para o espaço de combustão alongado (202) deve ter uma quantidade menor que a quantidade de oxigênio correspondente a uma combustão completa ou oxidação completa da quantidade de combustível fornecida a partir do orifício de alimentação de combustível (210) para o espaço de combustão alongado (202). Desta forma, embora a quantidade máxima de combustível gasoso seja fornecida a partir do orifício de alimentação de combustível (210) para o espaço de combustão alongado (202), pode ser assegurado que o oxigênio é completamente consumido apenas no espaço de combustão alongado (202) devido a este espaço (202) ter o comprimento suficiente. Desta forma o oxigênio é completamente consumido no espaço de combustão alongado (202) e, em seguida, em conjunto com o calor de radiação gerado a partir da reação de oxidação no espaço de combustão alongado (202), os combustíveis que não foram queimados C, CO, H2 e as moléculas de H2O e/ou as moléculas de CO2 geradas através da oxidação neste espaço de combustão alongado (202) fluem para o espaço de reação do reator de redução (100). Ou seja, nenhum oxigênio flui do espaço de combustão alongado (202) para o espaço de reação do reator de redução (100).

[0052] Assim, no espaço de combustão alongado (202) do queimador (200) para o reator de redução (100), ocorrem apenas as seguintes reações de oxidação: - os carvões em pó contendo carbono são oxidados como a seguir:

- o monóxido de carbono é oxidado como a seguir:

; - o hidrogênio é oxidado como a seguir:

[0053] Onde todas as reações de oxidação acima são reações exotérmicas.

[0054] Desta forma, os combustíveis não queimados C, CO, H2 no espaço de combustão alongado (202) e as moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2 geradas através da oxidação no espaço de combustão alongado (202) fluem para o espaço de reação do reator de redução (100).

[0055] Neste contexto, uma vez que o oxigênio é completamente consumido no espaço de combustão alongado (202) e nenhum oxigênio flui do espaço de combustão alongado (202) para o espaço de reação do reator de redução (100), apenas uma reação de redução a seguir empregando moléculas de água 2H2O e moléculas de dióxido de carbono CO2 ocorre no espaço de reação do reator de redução (100) acima de 1200°C: - reação de redução de H2O para material orgânico geral: CnH2n + nH2O + calor acima de 1200°C ^ nCO + 2nH2

- reação de redução de CO2 para material orgânico geral: CnH2n + nCO2 + calor acima de 1200 °C ^ 2nCO + nH2

[0056] Por meio da reação de redução, apenas um gás de síntese e um sal são obtidos. Desta forma, o gás de síntese, como CO e H2, pode ser produzido continuamente e, é coletado e reciclado conforme descrito mais adiante.

[0057] Por conseguinte, empregando o queimador (200) para o reator de redução (100) de acordo com a concretização da presente invenção, vários resíduos de material orgânico ou carvões podem ser completamente decompostos através da reação de redução, e os gases de síntese de H2 e CO com elevada pureza são obtidos sem ocorrer um segundo processo.

[0058] Em outras palavras, de acordo com uma concretização da presente invenção, o oxigênio O2 e a mistura de gases do gás de síntese H2 e CO são fornecidos no espaço de combustão alongado (202) da porção de topo (201) do presente queimador (200) de modo que a quantidade de oxigênio O2 seja menor do que a quantidade de oxigênio correspondente à oxidação completa da mistura de gases do gás de síntese H2 e CO. Assim, a mistura de gases do gás de síntese H2 e CO não é totalmente queimada devido à falta de oxigênio para reagir com o gás de síntese remanescente e não oxidado H2 e CO. Além disso, tanto vapor de água H2O quanto dióxido de carbono CO2 é produzido. Posteriormente, o gás de síntese não hidrogenado restante H2 e CO, vapor de água H2O e dióxido de carbono CO2 fluem para o espaço de reação do reator de redução (100) juntamente com a energia térmica gerada através da oxidação no espaço de combustão alongado (202). Isso acarreta em somente ter uma reação de redução no reator.

[0059] Nesse contexto, os produtos em alta temperatura: vapor de água H2O, dióxido de carbono CO2, o gás de síntese quente não oxidado H2 e CO assim como o calor de radiação atuam como fonte de calor adicional para o reator de redução (100) e são transferidos para o reator de redução (100), onde apenas ocorre a reação de redução. Além disso, o gás de síntese não oxidado restante (H2 e CO) pode ser coletado a partir do espaço de reação do reator (100) e pode ser reciclado.

[0060] Como resultado, uma vez que apenas a reação de oxidação ocorre no queimador (200) para o reator de redução, e apenas a reação de redução ocorre no reator de redução (100), isto é, a oxidação e a redução acontecem separadas uma da outra por ocorrerem em regiões diferentes, os compostos altamente tóxicos (PHAs, dioxinas, etc.) não são produzidos através da reação de oxidação no reator (100). Desta forma, os carvões e os resíduos de materiais orgânicos tóxicos são tratados de maneira limpa. Além disso, como subproduto, a mistura de gases de H2 e do CO é obtida como gases de síntese limpos.

[0061] Por exemplo, quando o PVC é submetido a um tratamento de decomposição, as seguintes reações ocorrem no reator (100) de acordo com uma concretização da presente invenção:

[0062] Onde: n (C2H3Cl) refere-se ao PVC e 6H2 + 4CO refere-se a um gás de síntese (mistura de gás H2 e CO).

[0063] O PVC pode ser reduzido com o vapor de água 3H2O e o dióxido de carbono 3CO2 a quente para formar gás de síntese de H2 + CO. Neste contexto, CaO pode ser adicionado. Assim, o PVC pode reduzido novamente com CaO para formar um sal neutro de CaCl2. Desta forma, o PVC é decomposto de forma ecológica sem produzir substância tóxica, como a dioxina.

[0064] O emprego do queimador de acordo com a concretização da presente invenção pode permitir que um reator convencional tal como um aparelho de gaseificação de carvão sob o sistema IGCC seja convertido em um novo reator no qual apenas ocorre reação de redução. Assim, pode ser dispensado um aparelho de tratamento secundário de compostos. Além disso, o processo de decomposição de resíduos orgânicos tem uma eficiência maximizada.

[0065] De acordo com a concretização da presente invenção, quando o resíduo orgânico inclui um plástico tal como PVC ou pneus velhos que precisam ser decompostos, os resíduos orgânicos podem ser submetidos a uma decomposição térmica preliminar abaixo de 800°C empregando um calor residual recolhido a partir do reator (100) ou do queimador (200) para o reator de redução (100) e, assim, podem ser transformados em moléculas de menor peso. Em seguida, estas moléculas de peso inferior em um estado de gás ou líquido são injetadas no reator de redução (100). Isso promove uma reação de redução mais rápida. Isso promove também uma redução da perda de calor. Além disso, uma vez que as moléculas de peso inferior em um estado de gás ou líquido são injetadas no reator de redução (100), a parede interna do reator de redução 100 é protegida de danos que, de outra forma, poderiam ocorrer se o resíduo orgânico fosse injetado em estado sólido.

[0066] De acordo com a concretização da presente invenção, na porção inferior do reator de redução (100), não existe nenhum outro orifício de alimentação de ar. A este respeito, o oxigênio é fornecido apenas através dos orifícios de alimentação de oxigênio (220) previstos para o queimador (200).

[0067] De acordo com a concretização da presente invenção, o reator de oxidação convencional a quente pode ser convertido no presente reator de redução a quente bloqueando orifícios de alimentação de oxigênio formados no fundo do reator de oxidação a quente convencional para evitar que o oxigênio entre no mesmo nesta região, e fornecendo oxigênio apenas através dos orifícios de alimentação de oxigênio (220) providos no queimador (200) para dentro do espaço de combustão alongado (202). Desta maneira, o reator de oxidação a quente convencional pode ser facilmente convertido no presente reator de redução a quente.

[0068] A FIG. 7 mostra um sistema de reciclagem de combustível de acordo com uma concretização da presente invenção, em que o gás de síntese é recolhido a partir do reator de redução, é armazenado num tanque de combustível e depois reabastecido ao único queimador de oxidação como combustível para o único reator de redução.

[0069] O sistema de reciclagem de combustível de acordo com a concretização da presente invenção inclui o reator de redução (100) configurado para receber um material orgânico CnH2n contendo um carbono e decompor este material orgânico por meio de uma reação de redução acima de 1200°C, o reator de redução (100) possui uma saída de gás de síntese (121) formada uma sua parte superior; o conjunto de queimadores para o reator de redução (100), inclui os queimadores (200) uma pluralidade de, onde cada queimador (200) tem um orifício de alimentação de combustível (210) e uma pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio (220) formados no mesmo, e onde os queimadores (200) uma pluralidade de estão dispostos na parede (101) do reator de redução (100), onde a porção de topo (201) do queimador (200) tem um espaço de combustão alongado (202) formado em uma das suas extremidades e este espaço de combustão alongado (202) tem um comprimento suficiente de modo que a oxidação ou a combustão ocorre apenas no espaço de combustão alongado (202) no instante em que acontece a ignição do combustível no orifício de alimentação de combustível (210).

[0070] O sistema de reciclagem de combustível inclui ainda um módulo de arrefecimento e compressão (400) configurado para arrefecer e comprimir o gás de síntese recolhido através de uma linha coletora de gás (110) de uma saída de gás de síntese (121). O sistema de reciclagem de combustível inclui ainda um tanque de armazenamento (500) configurado para receber e armazenar o gás refrigerado e comprimido do módulo de resfriamento e compressão (400) e fornecer o gás armazenado ao conjunto de queimadores, incluindo cada queimador (200), permitindo desse modo a reciclagem do gás de síntese. O sistema de reciclagem de combustível inclui ainda um gerador de oxigênio (600) configurado para gerar oxigênio e fornecer o oxigênio aos orifícios de alimentação de oxigênio (220).

[0071] Opcionalmente, o sistema de reciclagem de combustível pode ainda incluir um ajustador de fornecimento de gás de síntese e oxigênio para ajustar o suprimento de gás com base em uma temperatura medida, um dispositivo de instalação e retirada automático para instalar e retirar o queimador auxiliar, um dispositivo de medição de gás descarregado e/ou um sistema de controle para controlar toda a operação do mesmo. Tais componentes opcionais são convencionais e, portanto, dispensam descrições detalhadas sobre eles.

[0072] No sistema de reciclagem de combustível de acordo com a concretização da presente invenção, o espaço de combustão alongado (202) tem o comprimento suficiente de tal modo que o oxigênio fornecido a partir dos orifícios de alimentação de oxigênio (220) é completamente consumido por oxidação ou combustão com os combustíveis fornecidos a partir do orifício de alimentação de combustível (210), apenas no espaço de combustão alongado (202) após ignição no queimador (200). Assim, pode ser assegurado que o oxigênio é completamente consumido apenas no espaço de combustão alongado (202). Depois disso, os combustíveis não queimados C, CO e H2 no espaço de combustão alongado (202) e as moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2 geradas através da reação de oxidação no espaço de combustão alongado (202) fluem para o espaço de reação do reator de redução (100), onde apenas uma reação de redução ocorre em temperatura acima de 1200°C aproveitando o calor de radiação do queimador, onde ocorre a reação de redução das moléculas de H2O e/ou moléculas de CO2. Assim, apenas a oxidação pode ocorrer no espaço de combustão alongado (202), enquanto que apenas a redução pode ocorrer no espaço de reação do reator (100). Além disso, no espaço de reação do reator de redução (100), o gás de síntese, tal como CO e H2 é produzido continuamente e, é coletado e reciclado.

[0073] O gás de síntese, tal como CO e H2, é recolhido a partir do reator (100) na saída de gás de síntese (120) através da linha de coleta de mistura de gases (110) para o módulo de arrefecimento e compressão (400). Em seguida, o módulo de arrefecimento e compressão (400) arrefece e comprime o gás recolhido a uma temperatura desejada e transfere o gás comprimido para o tanque de armazenamento (500). O tanque de armazenamento (500) armazena o gás e fornece esse gás para o queimador (200) quando necessário. Isso permite a reciclagem do gás de síntese. Desta forma, o gás de síntese combustível é suficiente como uma quantidade inicial de gás fornecida ao queimador (200). Isso leva a uma economia no custo do combustível. Além disso, o gás de síntese como combustível é ainda produzido a partir de material de resíduos orgânicos.

[0074] Além disso, enquanto o queimador (200) do reator de redução opera, o gás de síntese é produzido continuamente. Quando a quantidade de gás da mistura coletado é consideravelmente grande, a mistura de gás é arrefecida e comprimida até uma dada temperatura, e é armazenada não só no primeiro tanque de armazenamento (500), mas também em um segundo tanque de armazenamento (510). O gás do segundo tanque de armazenamento (510) pode ser fornecido para residências ou empresas.

[0075] No sistema convencional de gaseificação de carvão IGCC, as duas reações de oxidação e redução ocorrem no mesmo espaço e o processo de resfriamento ocorre de forma subsequente. As reações de oxidação e redução e o processo de resfriamento são frequentemente alternados. Esse método intermitente é ineficiente para adquirir o gás de síntese (mistura de gás H2 e CO). Além disso, usando um processo secundário, o subproduto criado através da oxidação deve ser tratado. Isso acarreta a uma maior complexidade do processo e custo para fazer decomposição.

[0076] Ao contrário, utilizando o sistema de reciclagem de gás de síntese de acordo com a presente invenção, o gás de síntese é produzido continuamente no reator de redução e o gás de síntese produzido é novamente fornecido a cada queimador do conjunto de queimadores, permitindo assim a reciclagem de gás de síntese. Embora ao utilizar o sistema de reciclagem de gás de síntese de acordo com a presente invenção alguns subprodutos tais como H2S e FeS possam ser produzidos, tais subprodutos apresentam utilidade e podem ser facilmente filtrados se necessário.

[0077] Ao contrário, utilizando o sistema de reciclagem de gás de síntese de acordo com a presente invenção, o gás de síntese é produzido continuamente no reator de redução e o gás de síntese produzido é novamente fornecido a cada queimador da matriz do queimador, permitindo assim a reciclagem de gás de síntese. Embora ao utilizar o sistema de reciclagem de gás de síntese de acordo com a presente invenção os subprodutos tais como H2S e FeS possam ser produzidos, tais subprodutos, os quais apresentam utilidade, podem ser facilmente filtrados se necessário

[0078] O incinerador convencional pode produzir subproduto tóxico (PHAs, dioxinas, etc.) que pode causar conflitos legais com relação às pessoas residentes no entorno e com a legislação do governo. De acordo com a presente divulgação, esses conflitos legais são evitados.

[0079] De acordo com a presente invenção, uma usina convencional de ciclo combinado que tenha sido recentemente estabelecida e que apresente a perda da capacidade de combustão dos resíduos urbanos localizada próxima a uma cidade, pode ser reativada empregando este desperdício de resíduos para produzir o gás de síntese (mistura de gás H2 e CO), enquanto decompõe os resíduos de forma ecológica.

[0080] De acordo com a presente invenção, óleo isolante de transformadores, óleos residuais, óleos de motores, restos de PVC, resíduos de pneus, resíduos plásticos, etc. podem ser utilizados como uma nova fonte de energia ecologicamente amigável.

[0081] De acordo com a presente invenção, rejeitos hospitalares infectado por bactérias ou vírus (os quais podem ser quimicamente orgânicos) podem ser decompostos para produzir o gás de síntese (mistura de gás H2 e CO) ao mesmo tempo em que elimina os resíduos de uma maneira ecológica. Além disso, de acordo com a presente invenção, um incinerador convencional que produz subproduto tóxico pode ser alterado para um novo reator de redução única. Além disso, todos os tipos de resíduos orgânicos, incluindo cadáveres de animais assim como plantas, podem ser decompostos para produzir o gás de síntese (mistura de gás H2 e CO) ao mesmo tempo em que esta decomposição de rejeitos se dá de maneira ecológica.

Claims

1. QUEIMADORES PARA REATOR DE REDUÇÃO QUE PERMITE A OCORRÊNCIA SEPARADA DE REAÇÃO DE OXIDAÇÃO E REAÇÃO DE REDUÇÃO caracterizado porum conjunto de queimadores para um reator de redução (100), incluir uma pluralidade de queimadores (200); cada queimador (200) tem um orifício de alimentação de combustível e uma pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio (220) formados no mesmo; o combustível incluir um gás ou pós de carvão; uma pluralidade de queimadores (200) serem dispostos na parede (101) do reator de redução (100) para permitir que a temperatura interna no reator de redução (100) atinja um valor acima de 1200°C; o reator de redução (100) tem uma região de reação formado nele, que se comunica com a região de reação do queimador (200); uma porção do topo (201) do mesmo ter um espaço de combustão alongado (202) formado entre o topo do queimador e o espaço de reação, de modo que o queimador (200) seja recuado da parede do reator de redução (100); o espaço de combustão alongado (202) ter um comprimento configurado de modo que o oxigênio fornecido pelos orifícios de alimentação de oxigênio (220) seja completamente consumido por oxidação ou combustão com combustíveis fornecidos pelo orifício de alimentação de combustível (210) apenas no espaço de combustão alongado (202) ao acender o queimador (200); os combustíveis não queimados completamente, H2 , moléculas de O e/ou moléculas de CO2 , fluírem para o espaço de reação do reator de redução (100), onde apenas uma ração de redução ocorre na temperatura acima de 1200°C aproveitando o calor de radiação gerado a partir do queimador.

2. QUEIMADORES PARA REATOR DE REDUÇÃO QUE PERMITE A OCORRÊNCIA SEPARADA DE REAÇÃO DE OXIDAÇÃO E REAÇÃO DE REDUÇÃO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado porcada queimador ser configurado de modo que os combustíveis fornecidos pelo orifício de alimentação de combustível incluam C, CO e / ou H2.

3. QUEIMADORES PARA REATOR DE REDUÇÃO QUE PERMITE A OCORRÊNCIA SEPARADA DE REAÇÃO DE OXIDAÇÃO E REAÇÃO DE REDUÇÃO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por em que cada queimador é configurado de modo que o oxigênio dos múltiplos orifícios de alimentação de oxigênio (220) ser fornecido no espaço de combustão alongado (202) em uma quantidade menor que uma quantidade de oxigênio correspondente à oxidação ou combustão completa de toda a quantidade de combustível fornecida, pela qual o oxigênio é completamente consumido no espaço de combustão alongado (202), e os combustíveis não queimados permanecem no espaço de combustão alongado.

4. SISTEMA DE RECICLAGEM DE GÁS DE SÍNTESE conforme a reivindicação 1, caracterizado porcompreender: - um reator de redução (100) configurado para receber um material orgânico CnH2n contendo um carbono e decompor este material orgânico por meio de uma reação de redução acima de 1200°C, o reator de redução (100) possuir uma saída de gás de síntese (121) formada em sua parte superior; - um conjunto de queimadores para um reator de redução (100), incluir uma pluralidade de queimadores (200); cada queimador (200) tem um orifício de alimentação de combustível e uma pluralidade de orifícios de alimentação de oxigênio (220) formados no mesmo; uma pluralidade de queimadores (200) serem dispostos na parede (101) do reator de redução (100), onde a porção do topo (201) do mesmo tem um espaço de combustão alongado (202) formado entre o topo do queimador e o espaço de reação, e este o espaço de combustão alongado (202) ter um comprimento configurado de modo que a oxidação ou combustão ocorra apenas no espaço de combustão alongado (202) ao acender o queimador (200) com combustíveis fornecidos pelo orifício de alimentação de combustível (210); - um módulo de arrefecimento e compressão (400) configurado para resfriar e comprimir o gás de síntese coletado através de uma linha de coleta de gás (110) da saída de gás de síntese (121); - um tanque de armazenamento (500) configurado para receber e armazenar o gás resfriado e comprimido do módulo de resfriamento e compressão (400) e fornecer o gás armazenado ao conjunto de queimadores, desse modo permitindo a reciclagem de gás de síntese; e - um gerador de oxigênio (600) configurado para gerar oxigênio e fornecer oxigênio aos orifícios de alimentação de oxigênio (220).