BR112018002339B1 - Método e sistema para reduzir matéria particulada em um gás de escape - Google Patents

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA REDUZIR MATÉRIA PARTICULADA EM UM GÁS DE ESCAPE. Trata-se de sistemas e métodos para reduzir o conteúdo de matéria particulada de um gás de escape de um processo de negro de carbono.

Description

ANTECEDENTES

[001] Óxidos de enxofre (por exemplo, SO2) estão presentes nos gases residuais descarregados a partir de diversas usinas químicas e de refinamento de metal e nos gases de exaustão (por exemplo, gases de escape) de usinas elétricas que geram eletricidade através da combustão de combustíveis fósseis. O controle de poluição do ar que resulta da descarga de óxidos de enxofre na atmosfera tem se tornado crescentemente urgente. Um incentivo adicional para a remoção de óxidos de enxofre de gases de escape é a recuperação de valores de enxofre que, de outro modo, seriam perdidos pela descarga na atmosfera. Contudo, os volumes grandes desses gases de escape em relação à quantidade de enxofre que os mesmos contêm pode tornar dispendiosas a remoção ou recuperação de compostos de enxofre desses gases. Além disso, embora os possíveis subprodutos que podem ser obtidos ao final a partir do enxofre recuperável, tais como, enxofre elementar e ácido sulfúrico, têm mercados virtualmente ilimitados como matérias-primas básicas, os mesmos são vendidos a preços relativamente baixos. Consequentemente, processos de remoção e recuperação eficientes e não dispendiosos são exigidos.

[002] Nos Estados Unidos da América e em outros lugares, têm havido esforços legislativos crescentes para limitar a quantidade de óxidos de enxofre de gases de escape associados à produção de negro de carbono. O negro de carbono (também conhecido como negro de carbono de acetileno, negro de carbono de canal, negro de carbono de fornalha, negro de carbono de lâmpada, negro de carbono de gás e negro de carbono térmico) é uma forma de carbono paracristalino com uma grande razão de área de superfície em relação ao volume. O negro de carbono está no topo 50 químicas industriais fabricadas mundialmente, com base em tonelagem anual. Em 2014, a produção total de negro de carbono foi cerca de 16.144.000 toneladas métricas. Os usos mais comuns para o negro de carbono são como um pigmento (por exemplo, em plástico, pinturas e tintas) e como uma carga de reforço em pneus e outros produtos de borracha.

[003] O negro de carbono pode ser produzido com a combustão de um hidrocarboneto (por exemplo, óleos de hidrocarboneto aromático, óleos minerais, óleos vegetais, gás natural, acetileno, etc.) com oxigênio dentro de fornalhas grandes. Variando-se a quantidade de hidrocarboneto e ar, a temperatura interna da fornalha pode ser alterada, o que permite a manipulação do tamanho de partícula e conexões de partícula do negro de carbono que são produzidas.

[004] Um processo de produção de negro de carbono, por exemplo, pode ocorrer em um módulo de processo de negro de carbono que pode empregar um reator de fornalha que tem um queimador ou câmara de combustão seguida de um reator. Uma corrente de alimentação de gás de combustão, tal como, uma corrente de líquido ou gás de hidrocarboneto (por exemplo, gás natural, hidrocarboneto líquido ou similares) pode ser comburida na porção de queimador junto com uma corrente de gás de alimentação de oxidante, tal como, ar ou oxigênio, para produzir gases de combustão quentes que podem então passar para a porção de reator da fornalha. Na porção de reator da fornalha, um insumo de hidrocarboneto pode ser exposto aos gases de combustão quentes. Parte do insumo pode ser queimada, enquanto o resto pode ser decomposto para formar negro de carbono, hidrogênio e outros produtos gasosos. Os produtos de reação podem então ser bruscamente arrefecidos e o negro de carbono resultante e a mistura de gás de escape reduzida podem ser transportados para um coletor de bolsa ou outro sistema de filtro, em que o conteúdo de negro de carbono pode ser separado do gás de escape reduzido (também denominado como gás residual). O negro de carbono recuperado pode ser finalizado em um produto comercializável, tal como, por exemplo, através de pulverização e peletização a úmido. Os péletes secos podem então ser transportados do secador para o depósito em bloco ou outro manejo.

[005] Os gases de escape gerados no módulo de processo de negro de carbono podem também ser submetidos a exigências e controles de qualidade de ar aplicáveis. Além da ventilação direta, as emissões de gás de escape foram descarregadas com o uso de aberturas. O gás de escape reduzido pode conter componentes de gás inflamável, o que significa que o gás de escape reduzido pode ser transportado para queimadores ou caldeiras para a produção de energia, recuperação de calor ou incineração (por exemplo, combustão adicional). A composição do gás de escape reduzido depois da separação do negro de carbono e antes de qualquer pós-tratamento pode variar de acordo com o grau de negro de carbono sendo produzido e outros parâmetros de processo. O gás de escape reduzido da fabricação de negro de carbono pode incluir combinações de um ou mais dentre: matéria particulada, óxidos de carbono (CO e CO2), compostos de enxofre, compostos de nitrogênio, matéria orgânica policíclica, elementos de traço e outros componentes, alguns dos quais são classificados pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos como poluentes de ar perigosos (HAP). Desse modo, regulamentos ambientais exigem reduções na quantidade de SO2, e outros componentes, emitidas a partir de instalações de negro de carbono.

[006] Até hoje, as maiores instalações de negro de carbono que tratam seu gás de escape empregam depuradores de gás para reduzir os níveis de SO2. Os depuradores de gás podem geralmente ser classificados como depuradores secos ou depuradores úmidos. Muitos gases, o que inclui SO2, podem ser removidos do gás de escape com o uso de um depurador de gás seco que compreende um material de absorção. O gás de escape pode ser atravessado por um cartucho, que é preenchido com um ou diversos materiais de absorção adaptados às propriedades químicas dos componentes a serem removidas. O componente (por exemplo, SO2) pode ser removido por reação química com um adsorvente sólido ou por adsorção em sua superfície seguida pela oxidação do componente adsorvido. Em geral, uma reação entre um sólido e um gás é relativamente lenta e tem cinética de reação ineficiente, sendo limitada pela área de superfície disponível do sólido. Além disso, determinados produtos resultantes não se prestam prontamente à regeneração dos materiais de partida (o que significa que o material de absorção precisa ser colocado depois de sua superfície ter sido saturada) ou recuperada de quaisquer valores de enxofre removidos.

[007] Depuradores úmidos funcionam através do contato de um composto- alvo ou matéria particulada com uma solução de depuração. A solução de depuração usada dependerá das propriedades do componente alvejado, e pode incluir, por exemplo, água (por exemplo, para matéria particulada) ou soluções de reagentes que alvejam especificamente um determinado composto.

[008] Em um depurador úmido, a corrente de gás de escape pode ser colocada em contato com a solução de depuração, por exemplo, através de: aspersão da corrente de gás de escape com a solução de depuração, o que força a corrente de gás de escape através de um reservatório da solução de depuração, ou por algum outro método de contato. A eficiência de remoção do componente-alvo pode ser aprimorada com o aumento do tempo de permanência no depurador úmido ou com o aumento da área de superfície da solução de depurador (por exemplo, através do uso de um bocal de aspersão, torres recheadas ou aspirador). A versatilidade de depuradores úmidos permite que os mesmos sejam construídos em inúmeras configurações, o que pode ser projetado para fornecer bom contato entre o líquido de depuração e a corrente de gás de escape. O líquido de depuração resultante (por exemplo, com o componente-alvo capturado no mesmo) geralmente precisa ser tratado antes de qualquer descarga final ou antes de ser reutilizado.

[009] Os processos de absorção úmida (por exemplo, depuradores úmidos) sofrem da desvantagem comum do gás de escape ser resfriado substancialmente e se tornar saturado com água. Esse resfriamento do gás de escape pode diminuir a eficiência geral do processo devido às exigências de potência adicionais para a dispersão do gás de escape para a atmosfera. Adicionalmente, a condensação e precipitação associadas de água evaporada que contém contaminantes no ambiente circundante, e a formação geral de fumaças no ponto de emissão da chaminé da usina podem criar problemas substanciais. Além disso, no caso da remoção de SO2, as dificuldades podem surgir quando se tenta a recuperação econômica e eficiente dos valores de enxofre e de absorvente dissolvido da solução aquosa. Ademais, depuradores de manutenção não adequada (por exemplo, aqueles que não foram adequadamente limpos) têm o potencial de espalhar bactérias causadoras de doenças. Por exemplo, a causa de um surto em 2005 da Doença dos legionários na Noruega que causou 10 mortes a acima de 50 casos de infecção foi associada a alguns depuradores infectados.

[010] Métodos alternativos para a depuração de gás, tais como, o sistema de ácido sulfúrico úmido a úmido (WSA) são menos amplamente implantados em sistemas de fabricação devido à sensibilidade da operação às concentrações de enxofre e matéria particulada, mas são tipicamente encontrados integrados a operação de mineração e usina elétrica. Sistemas de WSA operam tipicamente em concentrações de óxido de enxofre que são de mais de uma ordem de magnitude maiores do que é convencionalmente visto no processo de negro de carbono por razões operacionais e econômicas. Ademais, o catalisador usado em sistemas de WSA para a conversão dos óxidos de enxofre para ácido sulfúrico é extremamente suscetível à desativação por envenenamento químico, bloqueio mecânico e degradação térmica de matéria particulada em correntes de gás de escape comburido. Desse modo, todos os sistemas de WSA, independentes da instalação exata, integram um precipitador eletrostático (ESP) para remover a matéria particulada. O uso de um ESP causa uma perda significativa na eficiência termodinâmica do sistema - resfriamento da corrente de gás para remoção de particulado seguida pelo aquecimento da corrente de gás para conversão catalítica. Adicionalmente, os custos operacionais de um ESP (eletricidade, queda de pressão, fluxo) podem se tornar proibitivos.

[011] Os depuradores úmidos e sistemas de WSA convencionais não são recomendados para remover SO2 de gases de escape de processos de produção de negro de carbono. Isso se dá devido ao fato de que os gases de escape de processos de negro de carbono têm baixos níveis de enxofre e altos níveis de matéria particulada e água. Desse modo, são desejados métodos e sistemas econômica e comercialmente viáveis para depuração gases de escape produzidos durante a produção de negro de carbono que superem ou aliviem pelo menos algumas das deficiências anteriormente mencionadas das soluções existentes. Os métodos e sistemas discutidos no presente documento atendem a essas e outras necessidades.

SUMÁRIO

[012] De acordo com os propósitos dos métodos e sistemas revelados, conforme incorporado e amplamente descrito no presente documento, a matéria revelada se refere a métodos e sistemas para reduzir matéria particulada a partir de um gás de escape de processo, em particular gases de escape que resultam dos processos de produção de negro de carbono. A matéria revelada se refere adicionalmente a métodos e sistemas para reduzir matéria particulada em um gás de escape de processo de negro de carbono que deve ser tratado com o uso de um processo de WSA.

[013] Em alguns exemplos, os métodos revelados podem compreender a produção de negro de carbono a partir de um hidrocarboneto em um processo de negro de carbono. Em alguns exemplos, a produção de negro de carbono pode compreender combustão incompleta do hidrocarboneto. Em alguns exemplos, a produção de negro de carbono pode compreender decomposição térmica do hidrocarboneto. Consequentemente, também o gás de escape pode ser produzido a partir da decomposição térmica de um hidrocarboneto ou combustão incompleta de um hidrocarboneto. O gás de escape obtido em um processo de negro de carbono pode compreender um ou mais componentes com capacidade para serem oxidados, por exemplo, pela combustão, e consequentemente é denominado no presente documento também como “gás de escape reduzido”. Exemplos de hidrocarbonetos adequados incluem, mas sem limitação, óleos destilados pesados; óleos residuais pesados; óleos destilados a vácuo; óleos a vácuo pesados; óleos destilados de fracionador catalítico fluidizado; óleos residuais de fracionador catalítico fluidizado; óleos de alcatrão, residuais ou destilados de destilação ou gaseificação de carvão; óleos de alcatrão, residuais ou destilados de fracionamento de corrente ou processos de destilação de reação de polímero; outros gases de hidrocarboneto, condensáveis que contêm enxofre ou óleos pesados residuais; óleos residuais, de combustível ou destilados de fontes biológicas ou renováveis; óleos de hidrocarboneto aromático, óleos minerais, óleos vegetais, gás natural, acetileno ou combinações dos mesmos.

[014] Em alguns exemplos, os métodos revelados podem compreender adicionalmente coletar o negro de carbono. Coletar o negro de carbono pode compreender, por exemplo, filtrar para separar o negro de carbono do gás de escape reduzido.

[015] Em alguns exemplos, o gás de escape reduzido do processo de negro de carbono pode compreender matéria particulada, um precursor de um óxido de enxofre, um precursor de um óxido de nitrogênio ou combinações dos mesmos. O gás de escape reduzido pode compreender, por exemplo, de 1 a 5.000 mg/Nm3 de matéria particulada. Conforme usado no presente documento, a unidade “mg/Nm3” indica a massa de matéria particulada em miligramas por volume unitário de gás de escape em metros cúbicos em condições padrão (“N” normal) (101,325 kPa, 25 °C), se não for indicado de outro modo. Os métodos de acordo com a presente invenção podem compreender adicionalmente, em alguns exemplos, remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape reduzido do processo de negro de carbono.

[016] De acordo com a presente revelação, reduzir matéria particulada de um gás de escape de um processo de negro de carbono, em particular, pode compreender comburir o gás de escape para, desse modo, produzir um gás de escape comburido que compreende matéria particulada; oxidar cataliticamente pelo menos uma porção da matéria particulada, o que remove pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido com o uso de um leito de guarda que compreende um catalisador de oxidação.

[017] Em alguns exemplos, portanto, os métodos revelados podem utilizar um gás de escape reduzido de um processo de negro de carbono. Nos métodos revelados, o gás de escape reduzido do processo de negro de carbono (módulo) pode então ser comburido para produzir um gás de escape comburido. O gás de escape comburido pode compreender matéria particulada e, opcionalmente, outros materiais como um óxido de enxofre, um óxido de nitrogênio ou combinações dos mesmos. Em alguns exemplos, o gás de escape comburido pode compreender de 1 a 5.000 mg/Nm3 de matéria particulada.

[018] Em alguns exemplos, os métodos revelados podem compreender remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido com o uso de um catalisador de oxidação. A oxidação catalítica é realizada na presença de uma quantidade suficiente de oxigênio em excesso. O catalisador de oxidação pode estar em um leito de guarda que pode ser um vaso separado conectado a um reator de WSA ou uma porção ou estágio do reator de WSA. O catalisador de oxidação pode ser um catalisador tal como aqueles tipicamente usados em um processo de WSA. Exemplos de catalisadores de oxidação adequados incluem, mas sem limitação, vanádio, cobalto, molibdênio, manganês, sódio, potássio, césio, platina, paládio, ferro ou combinações dos mesmos. O leito de guarda pode, em alguns exemplos, compreender adicionalmente um substrato termicamente estável sobre o qual o catalisador de oxidação pode ser sustentado. Exemplos de substratos estáveis termicamente adequados incluem, mas sem limitação, alumina, sílica, cromia, zircônia, tungstênio, terra diatomácea, cordierita ou combinações dos mesmos. Em alguns exemplos, o leito de guarda pode remover 90% em peso ou mais da matéria particulada do gás de escape comburido, com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda. Em alguns exemplos, depois de pelo menos uma porção da matéria particulada ter sido removida do gás de escape comburido, o gás de escape comburido pode compreender 30 mg/Nm3 ou menos de matéria particulada. Devido a tal concentração comparativamente baixa de matéria particulada, o gás de escape comburido do qual pelo menos uma porção da matéria particulada foi removida pode ser efetivamente tratada em um processo de WSA.

[019] Além disso, são revelados no presente documento sistemas para reduzir matéria particulada de um gás de escape de um módulo de processo de negro de carbono. Os sistemas revelados podem compreender opcionalmente o módulo de processo de negro de carbono. Em alguns exemplos, os sistemas revelados podem compreender um dispositivo de combustão configurado para receber um gás de escape reduzido de um módulo de processo de negro de carbono e comburir o gás de escape reduzido para produzir um gás de escape comburido que compreende matéria particulada. Conforme já indicado acima, o gás de escape comburido pode compreender adicionalmente - adicionalmente à matéria particulada - por exemplo, um óxido de enxofre, um óxido de nitrogênio ou combinações dos mesmos. Em alguns exemplos, os sistemas revelados podem compreender adicionalmente um dispositivo de remoção de matéria particulada, tal como um leito de guarda configurado para receber o gás de escape comburido e remover por oxidação catalítica pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido. Os sistemas revelados podem compreender também condutos através dos quais o gás de escape reduzido é transportado do módulo de processo de negro de carbono para o dispositivo de combustão e do dispositivo de combustão para o dispositivo de remoção de matéria particulada (por exemplo, leito de guarda).

[020] Vantagens adicionais serão estabelecidas em parte na descrição que segue ou podem ser aprendidas pela prática dos aspectos descritos abaixo. As vantagens descritas abaixo serão realizadas e alcançadas por elementos e combinações particularmente apontados nas reivindicações anexas. Deve-se entender que tanto a descrição geral anterior quanto a descrição detalhada a seguir são exemplificadoras e explicativas somente e não são restritivas.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[021] As figuras anexas que são incorporadas e constituem parte do presente relatório descritivo ilustram diversos aspectos descritos abaixo.

[022] A Figura 1 exibe uma esquemática de um processo SNOX de ácido sulfúrico a úmido (WSA) padrão. O precipitador eletrostático (ESP) é mostrado.

[023] A Figura 2 exibe um diagrama de blocos esquemático de um sistema exemplificativo descrito no presente documento.

[024] A Figura 3 exibe um diagrama de blocos esquemático em outro sistema exemplificativo descrito no presente documento.

[025] A Figura 4 é um gráfico que mostra o aprimoramento de eficiência em um processo de negro de carbono ao implantar uma instalação de WSA.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[026] Os métodos e sistemas descritos no presente documento podem ser compreendidos mais prontamente com referência à descrição detalhada a seguir de aspectos específicos da matéria revelada e dos Exemplos e Figuras incluídas nos mesmos.

[027] Antes de os presentes métodos e sistemas serem revelados e descritos, deve-se compreender que os aspectos descritos abaixo não são limitados a métodos específicos ou sistemas específicos, desse modo, os mesmos podem evidentemente variar. Deve-se compreender também que a terminologia usada no presente documento tem o propósito de descrever aspectos particulares apenas e não pretende ser limitante.

[028] Além disso, ao longo do relatório descritivo, várias publicações são referenciadas. As revelações dessas publicações em suas totalidades são incorporadas ao presente documento a título de referência a fim de descrever completamente o estado da técnica ao qual a matéria revelada pertence. As referências reveladas são também individual e especificamente incorporadas a título de referência no presente documento devido ao material contido nas mesmas que é discutido na sentença na qual a referência se apoia.

DEFINIÇÕES

[029] No presente relatório descritivo e nas reivindicações a seguir, a referência será feita a um número de termos que devem ser definidos com os seguintes significados:

[030] Ao longo da descrição e reivindicações do presente relatório descritivo, a palavra “compreender” e outras formas da palavra, tais como, “que compreende” e “compreende”, significa que inclui, mas sem limitação, e não pretende excluir, por exemplo, outros aditivos, componentes, números inteiros ou etapas.

[031] Conforme usado na descrição e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um”, “uma” e “o/a” incluem os referentes plurais, exceto se o contexto indicar claramente de outro modo. Portanto, por exemplo, a referência a “uma composição” inclui misturas de duas ou mais de tais composições, a referência ao “composto” inclui misturas de dois ou mais de tais compostos, a referência a “um agente” inclui mistura de dois ou mais de tais agentes e similares.

[032] Todos os valores fornecidos como “ppmv” são definidos como frações de volume com a ordem de partes por milhão calculada para a condição de referência a 0 °C, livre de água e livre de oxigênio (0% de Volume de H2O e O2).

[033] Conforme usado no presente documento um “processo de negro de carbono” significa qualquer processo para a produção de negro de carbono (CB).

[034] Conforme usado no presente documento, “WSA” ou processo de “ácido sulfúrico a úmido” significa qualquer processo em que SO2 é cataliticamente convertido para SO3 a partir de uma corrente de gás úmido e o SO3 é removido em uma etapa subsequente. Essa remoção é feita preferencialmente, mas não necessariamente, como ácido sulfúrico com a redução à temperatura de condensação.

[035] Conforme usado no presente documento “catalisador de WSA” é qualquer catalisador adequado para ser usado em um processo de WSA. Esses catalisadores são comumente, mas não necessariamente, catalisadores com base em vanádio em um material carreador termicamente estável e poroso. Com a adição de mais elementos, a temperatura de fusão de componente ativo pode ser diminuída, isto é, a temperatura operacional reduzida. Por exemplo, um catalisador de WSA pode ser óxido de vanádio com um ou mais metais opcionais como sódio, potássio e césio.

[036] Por “PM” ou “matéria particulada” pretende-se que signifique qualquer material, independentemente de sua natureza ou origem, que condensa na ou acima da temperatura de filtragem usada no método de caracterização EN13284 (“Stationary Source Emissions: Determination of Flow Range Mass Concentrations of Dust”) em uma base seca. Por “matéria particulada carbonácea” pretende-se que signifique matéria particulada que contém principalmente carbono, tal como, por exemplo, pelo menos 90% em peso, ou pelo menos 92% em peso ou pelo menos 94% em peso, ou pelo menos 96% em peso, ou pelo menos 98% em peso de carbono, com base na massa total da matéria particulada. O conteúdo de carbono da matéria particulada pode ser determinado por métodos conhecidos na técnica, tal como, pela análise elementar de combustão.

[037] Por “elevação de pico” pretende-se que signifique um aumento artificial de um componente de gás de alimentação para simular condições de processo. A elevação de pico deveria focar na mistura apropriada do componente adicionada e no gás de processo e evitar a adição de componentes adicionais (impurezas) ao sistema.

[038] Conforme usado no presente documento, “gás de escape reduzido” se refere a um gás de escape que tem capacidade para ser oxidado, por exemplo, por combustão.

[039] Será feita referência agora em detalhes a aspectos específicos dos materiais, compostos, composições, artigos e métodos revelados, cujos exemplos são ilustrados nos Exemplos e Figuras anexos.

MÉTODOS PROCESSOS DE NEGRO DE CARBONO

[040] São revelados no presente documento métodos de redução do conteúdo de matéria particulada de um gás de escape de um processo de negro de carbono. Por exemplo, os métodos revelados no presente documento podem compreender produzir negro de carbono e um gás de escape reduzido de um hidrocarboneto em um processo de negro de carbono. O negro de carbono e gás de escape reduzidos podem ser produzidos por quaisquer métodos conhecidos na técnica. Por exemplo, o processo de negro de carbono pode ser realizado em um módulo de processo de negro de carbono. Por exemplo, o negro de carbono pode ser produzido, por exemplo, por combustão incompleta ou decomposição térmica de hidrocarbonetos gasosos ou líquidos em condições controladas. Os métodos de combustão incompleta para a produção de negro de carbono incluem, por exemplo, métodos de fornalha de óleo, métodos de negro de fumo, métodos de canal e métodos de fornalha de gás. Os métodos de decomposição térmica incluem, por exemplo, métodos de decomposição por acetileno e métodos de decomposição térmica de gás natural. A temperatura de reação e/ou o tempo podem ser ajustados para fabricar negro de carbono com diferentes tamanhos e estruturas de partícula. Esses ajustes podem afetar também a composição do gás de escape reduzido.

[041] Em alguns exemplos, produzir negro de carbono pode compreender combustão incompleta de um hidrocarboneto. Em alguns exemplos, produzir negro de carbono pode compreender decomposição térmica de um hidrocarboneto. Exemplos de hidrocarbonetos adequados incluem, mas sem limitação, óleos destilados pesados; óleos residuais pesados; óleos destilados a vácuo; óleos a vácuo pesados; óleos destilados de fracionador catalítico fluidizado; óleos residuais de fracionador catalítico fluidizado; óleos de alcatrão, residuais ou destilados de destilação ou gaseificação de carvão; óleos de alcatrão, residuais ou destilados de fracionamento de corrente ou processos de destilação de reação de polímero; outros gases de hidrocarboneto, condensáveis que contêm enxofre ou óleos pesados residuais; óleos residuais, de combustível ou destilados de fontes biológicas ou renováveis; ou combinações dos mesmos.

[042] Em alguns exemplos, os métodos revelados podem compreender adicionalmente coletar o negro de carbono. O negro de carbono pode ser coletado por quaisquer métodos conhecidos na técnica. Em alguns exemplos, coletar o negro de carbono pode compreender filtrar para separar o negro de carbono do gás de escape reduzido. Exemplos de filtros adequados podem incluir, por exemplo, filtros de bolsa e filtros de cerâmica. De acordo com a presente invenção, coletar o negro de carbono pode ser realizado em particular antes de tratamento adicional do gás de escape (separado) conforme estabelecido posteriormente.

GASES DE ESCAPE REDUZIDOS

[043] O gás de escape reduzido de um processo de negro de carbono geralmente compreende matéria particulada. Componentes adicionais que podem adicionalmente estar compreendidos no gás de escape reduzido, incluem, mas sem limitação, por exemplo, água, oxigênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, um precursor para um óxido de nitrogênio, tal como, nitrogênio, amônia e/ou cianeto de hidrogênio, um precursor para um óxido de enxofre, tal como, sulfeto de carbonila, dissulfeto carbono e/ou sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, trióxido de enxofre, monóxido de nitrogênio, dióxido de nitrogênio ou combinações dos mesmos. Portanto, poluentes do ar perigosos (HAP) emitidos do processo de negro de carbono (por exemplo, no gás de escape) podem compreender compostos de enxofre reduzido, por exemplo. De acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, há quatro HAPs principais emitidos do processo de negro de carbono: dissulfeto de carbono, sulfeto de carbonila, sulfeto de hidrogênio e cianeto de hidrogênio. Conforme usado no presente documento, o gás de escape de um processo de negro de carbono pode ser referido como um gás de escape reduzido e pode conter, dentre outros materiais, matéria particulada e um precursor de um óxido de enxofre (por exemplo, dissulfeto de carbono, sulfeto de carbonila e sulfeto de hidrogênio).

[044] Em alguns exemplos, o gás de escape reduzido pode compreender 1 mg/Nm3 ou mais de matéria particulada (por exemplo, 2 mg/Nm3 ou mais; 3 mg/Nm3 ou mais; 4 mg/Nm3 ou mais; 5 mg/Nm3 ou mais; 10 mg/Nm3 ou mais; 20 mg/Nm3 ou mais; 30 mg/Nm3 ou mais; 40 mg/Nm3 ou mais; 50 mg/Nm3 ou mais; 100 mg/Nm3 ou mais; 150 mg/Nm3 ou mais; 200 mg/Nm3 ou mais; 250 mg/Nm3 ou mais; 300 mg/Nm3 ou mais; 350 mg/Nm3 ou mais; 400 mg/Nm3 ou mais; 450 mg/Nm3 ou mais; 500 mg/Nm3 ou mais; 600 mg/Nm3 ou mais; 700 mg/Nm3 ou mais; 800 mg/Nm3 ou mais; 900 mg/Nm3 ou mais; 1.000 mg/Nm3 ou mais; 1,500 mg/Nm3 ou mais; 2.000 mg/Nm3 ou mais; 2.500 mg/Nm3 ou mais; 3.000 mg/Nm3 ou mais; 3,500 mg/Nm3 ou mais; 4.000 mg/Nm3 ou mais; ou 4.500 mg/Nm3 ou mais). O gás de escape reduzido, em alguns exemplos, pode compreender 5.000 mg/Nm3 ou menos de matéria particulada (por exemplo, 4.500 mg/Nm3 ou menos; 4.000 mg/Nm3 ou menos; 3.500 mg/Nm3 ou menos; 3.000 mg/Nm3 ou menos; 2.500 mg/Nm3 ou menos; 2.000 mg/Nm3 ou menos; 1.500 mg/Nm3 ou menos; 1.000 mg/Nm3 ou menos; 900 mg/Nm3 ou menos; 800 mg/Nm3 ou menos; 700 mg/Nm3 ou menos; 600 mg/Nm3 ou menos; 500 mg/Nm3 ou menos; 450 mg/Nm3 ou menos; 400 mg/Nm3 ou menos; 350 mg/Nm3 ou menos; 300 mg/Nm3 ou menos; 250 mg/Nm3 ou menos; 200 mg/Nm3 ou menos; 150 mg/Nm3 ou menos; 100 mg/Nm3 ou menos; 50 mg/Nm3 ou menos; 40 mg/Nm3 ou menos; 30 mg/Nm3 ou menos; 20 mg/Nm3 ou menos; 10 mg/Nm3 ou menos; 5 mg/Nm3 ou menos; 4 mg/Nm3 ou menos; 3 mg/Nm3 ou menos; 2 mg/Nm3 ou menos; ou 1 mg/Nm3 ou menos). A quantidade de matéria particulada no gás de escape reduzido pode variar de qualquer um dentre os valores mínimos descritos acima para qualquer dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, o gás de escape reduzido pode compreender de 1 a 5.000 mg/Nm3 de matéria particulada (por exemplo, de 1 mg/Nm3 a 2.500 mg/Nm3; de 2.500 mg/Nm3 a 5.000 mg/Nm3; de 1 mg/Nm3 a 1.000 mg/Nm3; de 1.000 mg/Nm3 a 2.000 mg/Nm3, de 2.000 mg/Nm3 a 3.000 mg/Nm3; de 3.000 mg/Nm3 a 4.000 mg/Nm3; de 4.000 mg/Nm3 a 5.000 mg/Nm3; ou de 100 mg/Nm3 a 4.000 mg/Nm3). Conforme usado ao longo do presente relatório descritivo, a quantidade de matéria particulada em um gás de escape pode ser determinada com o uso do Método Europeu EN13284 (“Stationary Source Emissions: Determination of Flow Range Mass Concentrations of Dust”) em uma base seca. Deve-se compreender que os valores descritos no presente documento para a matéria particulada podem, em particular, ser matéria particulada carbonácea de modo que os valores citados se apliquem analogamente à matéria particulada carbonácea.

[045] Os métodos revelados podem compreender opcionalmente remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape reduzido antes da combustão. A pelo menos uma porção da matéria particulada pode ser removida do gás de escape reduzido, por exemplo, por filtragem mecânica ou outros métodos conhecidos na técnica.

GASES DE ESCAPE COMBURIDOS

[046] Nos métodos revelados, um gás de escape reduzido de um processo de negro de carbono pode ser comburido para produzir um gás de escape comburido. O gás de escape comburido pode compreender, dentre outros materiais, matéria particulada, dióxido de enxofre e água. Comburir o gás de escape reduzido pode, por exemplo, converter os precursores de óxidos de enxofre em óxidos de enxofre. Em outras palavras, em alguns exemplos, o gás de escape comburido pode compreender matéria particulada, um óxido de enxofre, água ou combinações dos mesmos.

[047] Em alguns exemplos, o gás de escape comburido pode compreender 1 mg/Nm3 ou mais de matéria particulada (por exemplo, 2 mg/Nm3 ou mais; 3 mg/Nm3 ou mais; 4 mg/Nm3 ou mais; 5 mg/Nm3 ou mais; 10 mg/Nm3 ou mais; 20 mg/Nm3 ou mais; 30 mg/Nm3 ou mais; 40 mg/Nm3 ou mais; 50 mg/Nm3 ou mais; 100 mg/Nm3 ou mais; 150 mg/Nm3 ou mais; 200 mg/Nm3 ou mais; 250 mg/Nm3 ou mais; 300 mg/Nm3 ou mais; 350 mg/Nm3 ou mais; 400 mg/Nm3 ou mais; 450 mg/Nm3 ou mais; 500 mg/Nm3 ou mais; 600 mg/Nm3 ou mais; 700 mg/Nm3 ou mais; 800 mg/Nm3 ou mais; 900 mg/Nm3 ou mais; 1.000 mg/Nm3 ou mais; 1.500 mg/Nm3 ou mais; 2.000 mg/Nm3 ou mais; 2,500 mg/Nm3 ou mais; 3.000 mg/Nm3 ou mais; 3,500 mg/Nm3 ou mais; 4.000 mg/Nm3 ou mais; ou 4.500 mg/Nm3 ou mais). O gás de escape comburido, em alguns exemplos, pode compreender 5.000 mg/Nm3 ou menos de matéria particulada (por exemplo, 4.500 mg/Nm3 ou menos; 4.000 mg/Nm3 ou menos; 3,500 mg/Nm3 ou menos; 3.000 mg/Nm3 ou menos; 2,500 mg/Nm3 ou menos; 2.000 mg/Nm3 ou menos; 1.500 mg/Nm3 ou menos; 1.000 mg/Nm3 ou menos; 900 mg/Nm3 ou menos; 800 mg/Nm3 ou menos; 700 mg/Nm3 ou menos; 600 mg/Nm3 ou menos; 500 mg/Nm3 ou menos; 450 mg/Nm3 ou menos; 400 mg/Nm3 ou menos; 350 mg/Nm3 ou menos; 300 mg/Nm3 ou menos; 250 mg/Nm3 ou menos; 200 mg/Nm3 ou menos; 150 mg/Nm3 ou menos; 100 mg/Nm3 ou menos; 50 mg/Nm3 ou menos; 40 mg/Nm3 ou menos; 30 mg/Nm3 ou menos; 20 mg/Nm3 ou menos; 10 mg/Nm3 ou menos; 5 mg/Nm3 ou menos; 4 mg/Nm3 ou menos; 3 mg/Nm3 ou menos; 2 mg/Nm3 ou menos; ou 1 mg/Nm3 ou menos). A quantidade de matéria particulada no gás de escape comburido pode variar de qualquer dos valores mínimos descritos acima para qualquer dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, o gás de escape comburido pode compreender de 1 a 5,000 mg/Nm3 de matéria particulada (por exemplo, de 1 mg/Nm3 a 2.500 mg/Nm3; de 2.500 mg/Nm3 a 5.000 mg/Nm3; de 1 mg/Nm3 a 1.000 mg/Nm3; de 1.000 mg/Nm3 a 2.000 mg/Nm3, de 2.000 mg/Nm3 a 3.000 mg/Nm3; de 3.000 mg/Nm3 a 4.000 mg/Nm3; de 4.000 mg/Nm3 a 5.000 mg/Nm3; ou de 100 mg/Nm3 a 4.000 mg/Nm3). Conforme usado ao longo do presente relatório descritivo, a quantidade de matéria particulada em um gás de escape pode ser determinada com o uso do método de caracterização EN13284 (“Stationary Source Emissions: Determination of Flow Range Mass Concentrations of Dust”) em uma base seca.

[048] Em alguns exemplos, o gás de escape comburido pode compreender dióxido de enxofre. O gás de escape comburido pode compreender, por exemplo, 50 ppmv ou mais de dióxido de enxofre (por exemplo, 50 ppmv ou mais, 100 ppmv ou mais, 150 ppmv ou mais, 200 ppmv ou mais, 250 ppmv ou mais; 300 ppmv ou mais; 350 ppmv ou mais; 400 ppmv ou mais; 450 ppmv ou mais; 500 ppmv ou mais; 600 ppmv ou mais; 700 ppmv ou mais; 800 ppmv ou mais; 900 ppmv ou mais; 1.000 ppmv ou mais; 1.500 ppmv ou mais; 2.000 ppmv ou mais; 2.500 ppmv ou mais; 3.000 ppmv ou mais; 3.500 ppmv ou mais; 4.000 ppmv ou mais; 4.500 ppmv ou mais; 5.000 ppmv ou mais; ou 5.500 ppmv ou mais). Em alguns exemplos, o gás de escape comburido pode compreender 6.000 ppmv ou menos de dióxido de enxofre (por exemplo, 5.500 ppmv ou menos; 5.000 ppmv ou menos; 4.500 ppmv ou menos; 4.000 ppmv ou menos; 3.500 ppmv ou menos; 3.000 ppmv ou menos; 2.500 ppmv ou menos; 2.000 ppmv ou menos; 1.500 ppmv ou menos; 1.000 ppmv ou menos; 900 ppmv ou menos; 800 ppmv ou menos; 700 ppmv ou menos; 600 ppmv ou menos; 500 ppmv ou menos; 450 ppmv ou menos; 400 ppmv ou menos; 350 ppmv ou menos; 300 ppmv ou menos; 250 ppmv ou menos; 200 ppmv ou menos; 150 ppmv ou menos; ou 100 ppmv ou menos).

[049] A quantidade de dióxido de enxofre no gás de escape comburido pode variar de qualquer um dentre os valores mínimos descritos acima para qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, o gás de escape comburido pode compreender de 50 ppmv a 6.000 ppmv de dióxido de enxofre (por exemplo, de 50 a 4000 ppmv; de 3.000 ppmv a 6.000 ppmv; de 50 ppmv a 1.000 ppmv; de 1.000 ppmv a 3.000 ppmv; de 100 ppmv a 3.000 ppmv; de 3.000 ppmv a 4.000 ppmv; de 200 ppmv a 2.000 ppmv; de 5.000 ppmv a 6.000 ppmv; ou de 500 ppmv a 5.500 ppmv). Em alguns exemplos, a quantidade de dióxido de enxofre no gás de escape comburido pode compreender de 50 a ppmv até 10% em peso. Por exemplo, o gás de escape comburido pode compreender de 50 ppmv a 1.000 ppmv, de 500 ppmv a 2.000 ppmv, de 1% em peso a 10% em peso, de 2% em peso a 6% em peso, de 3% em peso a 4% em peso ou de 5% em peso a 10% em peso de SO2. Conforme usado ao longo do presente relatório descritivo, a concentração de um componente (em ppmv) em um gás de escape é determinada em uma base seca a 0% de O2.

[050] Em alguns exemplos, a quantidade de água no gás de escape comburido pode compreender de 10% em peso a 50% em peso, com base na massa total do gás de escape comburido. Por exemplo, a quantidade de água no gás de escape comburido pode ser de 10% em peso a 25% em peso, de 25% em peso a 50% em peso, de 20% em peso a 40% em peso, ou de 30% em peso a 50% em peso de água, com base na massa total do gás de escape comburido.

CATALISADOR DE OXIDAÇÃO

[051] Em alguns exemplos, os métodos revelados podem compreender adicionalmente remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido com o uso de um catalisador de oxidação. A oxidação catalítica pode causar a conversão de pelo menos uma porção da matéria particulada carbonácea em matéria gasosa, o que reduz a quantidade de matéria particulada no gás de escape comburido. O catalisador de oxidação pode ser tal como aqueles tipicamente usados em um processo de WSA. Nos métodos revelados e sistemas, a localização do catalisador de oxidação pode ser encontrada no que é denominado um leito de guarda, que é qualquer vaso ou porção do sistema revelado que contém um catalisador de oxidação para uso na redução da quantidade de matéria particulada, tal como, em particular, matéria particulada carbonácea no gás de escape comburido. O leito de guarda pode ser um vaso que é separado, apesar de conectado, ao reator de WSA ou a uma porção inicial ou estágio do próprio reator de WSA. Nos métodos revelados, a matéria particulada, tal como, por exemplo, a matéria particulada carbonácea pode ser removida do gás de escape comburido com uma passagem da matéria particulada através de um leito de guarda (ou catalisador de oxidação, que pode estar compreendido no leito de guarda ou pode ser fornecido de um modo diferente) e que oxida pelo menos uma porção da matéria particulada par um produto gasoso.

[052] Além disso, nos métodos revelados e sistemas, não é necessário usar um precipitador eletrostático (ESP) para alcançar níveis suficientemente baixos de matéria particulada conforme exigido para o tratamento do gás de escape por um processo de WSA. Consequentemente, um precipitador eletrostático (ESP) tipicamente não é usado para remover matéria particulada em qualquer estágio do processo de acordo com a presente invenção. Esse é um resultado inesperado e favorável, visto que os sistemas de WSA convencionais exigem um ESP para evitar a desativação do catalisador. Como outros processos de fabricação em que os sistemas de WSA foram usados, o processo de negro de carbono produz gases de escape que têm altos níveis de matéria particulada carbonácea, e seria esperado que tal material precisasse ser removido com um ESP de modo que o mesmo não interferisse com os catalisadores de oxidação usados a montante no processo de WSA ou, de outro modo, afetassem o processo de conversão de SO2. Inesperadamente, contudo, um catalisador de oxidação, por exemplo, compreendido em um leito de guarda, pode ser usado conjuntamente com o processo de negro de carbono, em parte devido à fração substancial da matéria particulada produzida no processo de negro de carbono ser matéria particulada carbonácea. A eliminação de ESP através do uso de um leito de guarda fornece economias de eficiência termodinâmica significativas. Por exemplo, com a eliminação do resfriamento em excesso para alcançar a temperatura operacional de um ESP e reaquecer para alcançar a temperatura de conversão catalítica dos óxidos de enxofre, pode haver um aprimoramento de eficiência térmica de pelo menos 48%, o que poderia ser significativamente maior dependendo dos métodos e sistemas para aquecer e resfriar a corrente de gás. O aprimoramento da eficiência térmica pode ter base em uma comparação com um método em que a redução de matéria particulada substancialmente equivalente é alcançada com o uso de um precipitador eletrostático. Os métodos revelados podem consequentemente compreender de modo adicional tratar o gás de escape comburido do qual pelo menos uma porção da matéria particulada foi removida através de oxidação catalítica em um processo de WSA. De acordo com os métodos revelados, que não precisam de um ESP, os óxidos de enxofre podem ser removidos no processo de ácido sulfúrico a úmido sem aquecer o gás comburido. Consequentemente, os óxidos de enxofre podem ser removidos do gás comburido com eficiência térmica aumentada em comparação com um método em que a redução de matéria particulada substancialmente equivalente é alcançada com o uso de um precipitador eletrostático.

[053] O leito de guarda pode compreender um catalisador de oxidação e, opcionalmente, um material de filtragem mecânica, filtro inerte ou uma combinação dos mesmos. Para catalisadores de oxidação, qualquer catalisador de WSA pode ser usado, assim como qualquer catalisador de oxidação de metal precioso e qualquer outro catalisador de oxidação em um substrato que sustenta as condições de processo. Exemplos de catalisadores de oxidação adequados incluem, mas sem limitação, vanádio, cobalto, molibdênio, manganês, sódio, potássio, césio, platina, paládio, ferro ou combinações dos mesmos. Esses catalisadores usados em processos de WSA são bastante conhecidos e estão comercialmente disponíveis. O leito de guarda pode, em alguns exemplos, compreender adicionalmente um substrato termicamente estável sobre o qual o catalisador de oxidação pode ser sustentado. Exemplos de substratos estáveis termicamente adequados incluem, mas sem limitação, alumina, sílica, cromia, zircônia, tungstênio, terra diatomácea, cordierita ou combinações dos mesmos.

[054] Como exemplos específicos, catalisadores de oxidação adequados podem compreender carreadores de terra diatomácea com sais de vanádio como componente ativo (consultar o documento no WO2011128830 e WO2013182502, que são incorporados a título de referência no presente documento em suas totalidades por seus ensinamentos de catalisadores de oxidação). Outros catalisadores adequados usam Rh como centro ativo (consultar o documento no WO2007035949), carreadores de ácido silícico (consultar o documento no EP0129903), espumas de cerâmica envernizadas (consultar o documento no WO2006018059), catalisador com base em lantanídeo (consultar o documento no EP0947234). Os catalisadores de oxidação também incluem filtros cataliticamente ativos (documentos no WO2016037981, WO2016029926).

[055] Filtros inertes de vários tipos podem ser usados conjuntamente com os catalisadores de oxidação (exemplos de filtros inertes são revelados nos documentos no EP0369330, WO2008142353 e EP27495912, os quais são incorporados a título de referência no presente documento em suas totalidades por seus ensinamentos sobre filtros inertes).

[056] A etapa de oxidar cataliticamente pelo menos uma porção da matéria particulada para, desse modo, remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás comburido pode ser realizado em qualquer temperatura em que o catalisador está ativo de modo que pelo menos uma porção da matéria particulada seja oxidada, o que exige temperaturas tipicamente elevadas (em relação às condições ambientes). Tal temperatura (elevada) depende consequentemente do catalisador usado. Em alguns exemplos, a temperatura elevada pode ser 200 °C ou mais (por exemplo, 220 °C ou mais, 240 °C ou mais, 260 °C ou mais, 280 °C ou mais, 300 °C ou mais, 320 °C ou mais, 340 °C ou mais, 360 °C ou mais, 380 °C ou mais, 400 °C ou mais, 420 °C ou mais, 440 °C ou mais, 460 °C ou mais, 480 °C ou mais, 500 °C ou mais, 520 °C ou mais, 540 °C ou mais, 560 °C ou mais ou 580 °C ou mais). Em alguns exemplos, a temperatura elevada pode ser 600 °C ou menos (por exemplo, 580 °C ou menos, 560 °C ou menos, 540 °C ou menos, 520 °C ou menos, 500 °C ou menos, 480 °C ou menos, 460 °C ou menos, 440 °C ou menos, 420 °C ou menos, 400 °C ou menos, 380 °C ou menos, 360 °C ou menos, 340 °C ou menos, 320 °C ou menos, 300 °C ou menos, 280 °C ou menos, 260 °C ou menos, 240 °C ou menos, ou 220 °C ou menos).

[057] A temperatura elevada pode variar dentre qualquer um dos valores mínimos descritos acima até qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, a temperatura elevada pode variar de 200 °C a 600 °C (por exemplo, de 200 °C a 400 °C, de 400 °C a 600 °C, de 200 °C a 280 °C, de 280 °C a 360 °C, de 360 °C a 440 °C, de 440 °C a 520 °C, de 520 °C a 600 °C, de 360 °C a 600 °C, de 400 °C a 550 °C, ou de 410 °C a 450 °C).

[058] Consequentemente, a reação no leito de guarda pode ser realizada em uma faixa de temperatura em que o catalisador de oxidação está ativo. Para catalisadores de WSA com base em vanádio, esse limite inferior é determinado pela temperatura de ignição, que pode ser tão baixa quanto 300 °C. Os catalisadores de WSA industriais operam tipicamente de 400 a 600 °C, ocasionalmente em temperatura inferior ou superior. Em alguns exemplos, a reação no leito de guarda está a partir de 400, 450, 500, 550 ou 600 °C, em que qualquer um dos valores declarados pode formar os pontos finais superior ou inferior de uma faixa.

[059] A reação no leito de guarda pode ser realizada na presença de oxigênio. A quantidade de oxigênio pode estar em excesso em comparação com a PM. Fontes de oxigênio são conhecidas por aqueles indivíduos versados na técnica e incluem ar, O2, água e outros.

[060] Em alguns exemplos, o leito de guarda pode remover 90% em peso ou mais da matéria particulada do gás de escape comburido (por exemplo, 90,5% em peso ou mais, 91% em peso ou mais, 91,5% em peso ou mais, 92% em peso ou mais, 92,5% em peso ou mais, 93% em peso ou mais, 93,5% em peso ou mais, 94% em peso ou mais, 94,5% em peso ou mais, 95% em peso ou mais, 95,5% em peso ou mais, 96% em peso ou mais, 96,5% em peso ou mais, 97% em peso ou mais, 97,5% em peso ou mais, 98% em peso ou mais, 98,5% em peso ou mais, 99% em peso ou mais ou 99,5 % em peso ou mais), com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda. Em alguns exemplos, o leito de guarda pode remover 100% em peso ou menos da matéria particulada do gás de escape comburido (por exemplo, 99,5% em peso ou menos, 99% em peso ou menos, 98,5% em peso ou menos, 98% em peso ou menos, 97,5% em peso ou menos, 97% em peso ou menos, 96,5% em peso ou menos, 96% em peso ou menos, 95,5% em peso ou menos, 95% em peso ou menos, 94,5% em peso ou menos, 94% em peso ou menos, 93,5% em peso ou menos, 93% em peso ou menos, 92,5% em peso ou menos, 92% em peso ou menos, 91,5% em peso ou menos, 91% em peso ou menos ou 90,5 % em peso ou menos), com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda.

[061] A quantidade de matéria particulada removido pelo leito de guarda pode variar de qualquer um dos valores mínimos descritos acima até qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, o leito de guarda pode remover de 90% em peso a 100% em peso da matéria particulada do gás de escape comburido (por exemplo, de 90% em peso a 95% em peso, de 95% em peso a 100% em peso, de 90% em peso a 92% em peso, de 92% em peso a 94% em peso, de 94% em peso a 96% em peso, de 96% em peso a 98% em peso, de 98% em peso a 100% em peso, de 99% em peso a 100% em peso, ou de 93% em peso a 97% em peso), com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda. Em alguns exemplos, o leito de guarda pode remover substancialmente toda a matéria particulada do gás de escape comburido, por exemplo, 99% em peso ou mais (por exemplo, 99,1% em peso ou mais, 99,2% em peso ou mais, 99,3% em peso ou mais, 99,4% em peso ou mais, 99,5% em peso ou mais, 99,6% em peso ou mais, 99,7% em peso ou mais, 99,8% em peso ou mais ou 99,9% em peso ou mais), com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda.

[062] Em alguns exemplos, depois de pelo menos uma porção da matéria particulada ter sido removida do gás de escape comburido, o gás de escape comburido pode compreender 30 mg/Nm3 ou menos de matéria particulada (por exemplo, 28 mg/Nm3 ou menos, 26 mg/Nm3 ou menos, 24 mg/Nm3 ou menos, 22 mg/Nm3 ou menos, 20 mg/Nm3 ou menos, 18 mg/Nm3 ou menos, 16 mg/Nm3 ou menos, 14 mg/Nm3 ou menos, 12 mg/Nm3 ou menos, 10 mg/Nm3 ou menos, 9 mg/Nm3 ou menos, 8 mg/Nm3 ou menos, 7 mg/Nm3 ou menos, 6 mg/Nm3 ou menos, 5 mg/Nm3 ou menos, 4 mg/Nm3 ou menos, 3 mg/Nm3 ou menos, 2 mg/Nm3 ou menos, ou 1 mg/Nm3 ou menos). Em alguns exemplos, depois de pelo menos uma porção da matéria particulada ter sido removida do gás de escape comburido, o gás de escape comburido pode compreender 0 mg/Nm3 ou mais de matéria particulada (por exemplo, mais do que 0 mg/Nm3 ou mais, ou, 1 mg/Nm3 ou mais, 2 mg/Nm3 ou mais, 3 mg/Nm3 ou mais, 4 mg/Nm3 ou mais, 5 mg/Nm3 ou mais, 6 mg/Nm3 ou mais, 7 mg/Nm3 ou mais, 8 mg/Nm3 ou mais, 9 mg/Nm3 ou mais, 10 mg/Nm3 ou mais, 12 mg/Nm3 ou mais, 14 mg/Nm3 ou mais, 16 mg/Nm3 ou mais, 18 mg/Nm3 ou mais, 20 mg/Nm3 ou mais, 22 mg/Nm3 ou mais, 24 mg/Nm3 ou mais, 26 mg/Nm3 ou mais, ou 28 mg/Nm3 ou mais).

[063] A quantidade de matéria particulada restante no gás de escape comburido depois de pelo menos uma porção da matéria particulada ter sido removida do gás de escape comburido pode variar de qualquer um dos valores mínimos descritos acima até qualquer um dos valores máximos descritos acima. Por exemplo, depois de pelo menos uma porção da matéria particulada ter sido removida do gás de escape comburido, o gás de escape comburido pode compreender de 0 mg/Nm3 a 30 mg/Nm3 de matéria particulada (por exemplo, de 0 mg/Nm3 a 14 mg/Nm3, de 14 mg/Nm3 a 30 mg/Nm3, de 0 mg/Nm3 a 6 mg/Nm3, de 6 mg/Nm3 a 12 mg/Nm3, de 12 mg/Nm3 a 18 mg/Nm3, de 18 mg/Nm3 a 24 mg/Nm3, de 24 mg/Nm3 a 30 mg/Nm3, ou de 2 mg/Nm3 a 28 mg/Nm3). Conforme usado ao longo do presente relatório descritivo, a quantidade de matéria particulada em um gás de escape pode ser determinada com o uso do método de caracterização EN13284 (“Stationary Source Emissions: Determination of Flow Range Mass Concentrations of Dust”) em uma base seca.

SISTEMAS

[064] Além disso, são revelados no presente documento sistemas no quais os métodos revelados no presente documento podem ser realizados. Por exemplo, também são revelados no presente documento sistemas para reduzir a quantidade de matéria particulada de um gás de escape de um módulo de processo de negro de carbono. Por exemplo, os sistemas revelados podem remover pelo menos uma porção da matéria particulada de um gás de escape comburido de um módulo de processo de negro de carbono.

[065] O tratamento de gás de escape que inclui um processo de ácido sulfúrico a úmido (WSA) foi descrito na técnica para remover NOx e SOx (também denominado remoção de SNOx). Óxidos de enxofre (SOx) podem ser de gases comburidos de exaustão, por exemplo, com a combustão de gases de escape reduzidos. A remoção de SOx pode ser alcançada por um catalisador de oxidação que utiliza oxigênio em excesso e umidade no gás de exaustão para converter SO2 para SO3 o que forma ácido sulfúrico gasoso que é depois condensado. Uma esquemática geral de um processo de WSA (ou processo de SNOx) é mostrada na Figura 1.

[066] Tal processo de WSA tem determinadas vantagens para o uso na produção de negro de carbono devido ao fato de que não exigem um absorvente ou descarte subsequente de absorvente gasto, em vez disso, o mesmo cria um subproduto vendável (por exemplo, ácido sulfúrico). Contudo, o alto custo do equipamento, o que inclui o precipitador eletrostático, tem impedido a adoção desse processo de WSA e tecnologia.

[067] De acordo com os métodos revelados e sistemas, controle de PM eficaz pode ser alcançado sem a necessidade de um precipitador eletrostático. Sistemas de WSA exemplificativos para o uso com os métodos revelados no presente documento são mostrados nas Figuras 2 e 3. Nesses sistemas, uma parte, se não toda, da remoção da PM, e as ineficiências térmicas associadas à operação da remoção de PM, pode ser significativamente reduzida ou eliminada.

[068] Agora com referência às Figuras 2 e 3, em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender um módulo de processo de negro de carbono 102 configurado para produzir negro de carbono e um gás de escape reduzido. O módulo de processo de negro de carbono 102 pode compreender qualquer meio para produzir negro de carbono conhecido na técnica. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um filtro para separar o negro de carbono do gás de escape reduzido. Em alguns exemplos, o gás de escape reduzido pode compreender, dentre outros materiais, uma matéria particulada e um precursor de um óxido de enxofre. Em alguns exemplos, conforme mostrado na Figura 3, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um dispositivo de remoção de matéria particulada convencional, tal como, um filtro 106 configurado para receber o gás de escape reduzido e remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape reduzido. O filtro 106 pode também ser omitido do sistema 100 conforme mostrado na Figura 2. Em alguns exemplos, o módulo de processo de negro de carbono 102 pode compreender adicionalmente, por exemplo, um secador, um peletizador ou quaisquer outros componentes conhecidos por produzir e coletar um produto de negro de carbono finalizado.

[069] Em alguns sistemas exemplificativos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um dispositivo de combustão 110 configurado para receber o gás de escape reduzido e comburir o gás de escape reduzido para produzir um gás de escape comburido. O gás de escape comburido pode compreender, dentre outros materiais, dióxido de enxofre e matéria particulada. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o gás de escape reduzido do módulo de processo de negro de carbono 102 para o dispositivo de combustão 110. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender um conduto 104 configurado para direcionar o gás de escape reduzido do módulo de processo de negro de carbono 102 para o filtro 106, e um conduto 108 configurado para direcionar o gás de escape reduzido filtrado do filtro 106 para o dispositivo de combustão 110. Alternativamente, ser nenhum filtro 106 for usado, um conduto 104 direcionará gás de escape reduzido do módulo de processo de negro de carbono 102 para o dispositivo de combustão.

[070] O gás de escape comburido pode compreender uma matéria particulada e um óxido de enxofre. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um dispositivo de remoção de matéria particulada, tal como um leito de guarda 118 configurado para receber o gás de escape comburido e remover pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido pela oxidação catalítica. O sistema pode compreender um catalisador de oxidação que pode, por exemplo, ser compreendido no leito de guarda 118 ou ser fornecido de um modo diferente. Opcionalmente, o catalisador de oxidação pode ser sustentado em um substrato termicamente estável. Catalisadores de oxidação e substratos termicamente estáveis exemplificativos adequados, que podem ser usados nos sistemas de acordo com a presente invenção, são descritos acima no contexto dos métodos de acordo com a presente invenção. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o gás de escape comburido do dispositivo de combustão 110 para o leito de guarda 118. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender um conduto 112 configurado para direcionar o gás de escape comburido do dispositivo de combustão 110 para um ventilador 114, que pode ser configurado para direcionar o gás de escape comburido através de um conduto 116 para o leito de guarda 118.

[071] Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um elemento de processo de redução de dióxido de nitrogênio 126 para remover pelo menos uma porção do dióxido de nitrogênio do gás de escape comburido. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o gás de escape comburido do leito de guarda 118 para o elemento de processo de redução de dióxido de nitrogênio 126. Por exemplo, o sistema pode compreender adicionalmente um conduto 120 configurado para direcionar o gás de escape comburido do leito de guarda 118 para um trocador de calor 122, e um conduto 124 para direcionar o gás de escape comburido do trocador de calor para o elemento de processo de redução de dióxido de nitrogênio 126.

[072] Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um reator 130 configurado para: receber o gás de escape comburido; oxidar pelo menos uma porção do dióxido de enxofre no gás de escape comburido para trióxido de enxofre para produzir um gás de escape rico em trióxido de enxofre; o que remove pelo menos uma porção do dióxido de enxofre do gás de escape comburido. O reator 130, por exemplo, pode compreender um catalisador configurado para oxidar pelo menos uma porção do dióxido de enxofre no gás de escape comburido com oxigênio a uma temperatura elevada. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o gás de escape comburido para o reator 130. Por exemplo, o sistema pode compreender adicionalmente um conduto 128 para direcionar o gás de escape comburido do elemento de processo de redução de dióxido de nitrogênio 126 para o reator 130.

[073] Em alguns exemplos, o reator 130 pode ser adicionalmente configurado para reagir o gás de escape rico em trióxido de enxofre com água para produzir um gás de escape rico em ácido sulfúrico. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um condensador 136 configurado para receber o gás de escape rico em ácido sulfúrico e condensar o ácido sulfúrico do gás de escape rico em ácido sulfúrico para produzir um gás de escape purificado e ácido sulfúrico condensado. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o gás de escape rico em ácido sulfúrico para o condensador 136. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender um conduto 132 configurado para direcionar o gás de escape rico em ácido sulfúrico do reator 130 para um trocador de calor 122, e um conduto 134 configurado para direcionar o gás de escape rico em ácido sulfúrico do trocador de calor 122 para o condensador 136.

[074] O condensador pode, por exemplo, ser configurado para diminuir a temperatura do gás de escape rico em ácido sulfúrico para uma temperatura de condensação, o que condensa o ácido sulfúrico. Em alguns exemplos, o condensador 136 pode ser configurado para receber ar frio e/ou água para diminuir a temperatura do gás de escape rico em ácido sulfúrico e emitir (ou produzir) ar quente e/ou vapor. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender um conduto 146 configurado para direcionar ar frio para um compressor de ar 148, e um conduto 150 configurado para direcionar o ar frio do compressor de ar 148 para o condensador 136. Em alguns exemplos, o módulo de processo de negro de carbono 102 e/ou o dispositivo de combustão 110 pode ser configurado para receber o ar quente do condensador 136. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o ar quente do condensador 136 para o módulo de processo de negro de carbono 102 e/ou o dispositivo de combustão 110. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender um conduto 152 configurado para direcionar o ar quente do condensador 136 para o módulo de processo de negro de carbono 152 e/ou um conduto 154 configurado para direcionar o ar quente do condensador 136 para o dispositivo de combustão 110.

[075] Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o gás de escape purificado para fora do condensador 136. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um conduto 138 configurado para direcionar o gás de escape purificado para fora do condensador 136.

[076] Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para coletar o ácido sulfúrico condensado. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um refrigerante de produto de ácido sulfúrico (por exemplo, um trocador de calor) 142 configurado para receber o ácido sulfúrico condensado do condensador. Em alguns exemplos, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um meio para direcionar o ácido sulfúrico condensado do condensador 136 para o refrigerante de produto de ácido sulfúrico 142. Por exemplo, o sistema pode compreender adicionalmente um conduto 140 configurado para direcionar o ácido sulfúrico condensado do condensador 136 para um refrigerante de produto de ácido sulfúrico (por exemplo, um trocador de calor) 142. Em alguns exemplos, o refrigerante de produto de ácido sulfúrico 142 pode ser configurado para receber água fria, por exemplo, de um conduto 156, e emitir água quente (por exemplo, por um conduto 158) e ácido sulfúrico refrigerado (por exemplo, por um conduto 144). Em alguns exemplos, o módulo de processo de negro de carbono 102 pode ser configurado para receber a água quente do refrigerante de produto de ácido sulfúrico 142. Por exemplo, o sistema 100 pode compreender adicionalmente um conduto 158 configurado para direcionar água quente do refrigerante de produto de ácido sulfúrico 142 para o módulo de processo de negro de carbono 102.

[077] Em alguns exemplos, portanto, o controle de PM pode ser alcançado com a inclusão depois da combustão de um sistema de leito de guarda catalítico antes do catalisador de a conversão de SO2. Por exemplo, um leito de guarda com uma camada de catalisador de oxidação (V, Co, Mo, Mn, K, Cs, Pt, Pd, Fe, etc.) sustentado em um substrato termicamente estável (Al2O3, SiO2, Cr2O3, ZrO2, W, etc.) pode ser usado para oxidar a maior parte da PM, o que inclui PM carbonácea, no gás de escape comburido. O leito de guarda pode compreender opcionalmente um material de filtragem mecânica e/ou filtro interno. Opcionalmente, antes da combustão do gás de escape reduzido (por exemplo, o gás de exaustão reduzido), meios convencionais para a remoção de PM (filtragem mecânica, filtragem eletrostática, etc.) podem ser adicionalmente previstos.

[078] Algumas vantagens dos sistemas e métodos de acordo com a presente invenção são: pouca ou nenhuma água adicional é necessária; pouca ou nenhuma água residual é gerada; o potencial para recuperação de energia é maior do que em algumas outras operações de depuração; e as vantagens de um sistema modular (por exemplo, o reator de WSA e equipamento de condensador) são retidas. Os sistemas e métodos discutidos no presente documento podem evitar pelo menos uma porção da barreira de custo capital e operacional associada ao processo de WSA convencional. Ademais, os sistemas e métodos discutidos no presente documento podem ter oportunidades para a recuperação de energia integrada, por exemplo, com a remoção do economizador de caldeira para substituir o trocador de calor de produto de reator de oxidação, e/ou integrar o ar quente do ácido sulfúrico condensador ou diretamente no processo de negro de carbono.

[079] As vantagens econômicas do sistema discutidas no presente documento podem ser determinadas, até certo ponto, pelo tamanho e conteúdo de enxofre da corrente de gás de escape que é tratada. A aplicação da tecnologia poderia resultar em vantagens de custo operacional em relação ao sistema de depuração convencional. Com a redução do custo capital aqui, o custo capital de um sistema eficaz de atenuação de SOx pode ser menor do que os sistemas de depurador convencionais. Os métodos e sistemas discutidos no presente documento podem ser economicamente vantajosos em relação às outras tecnologias atualmente usadas na indústria de negro de carbono.

[080] Os exemplos abaixo se destinam a ilustrar adicionalmente determinados aspectos dos sistemas e métodos descritos no presente documento, e não são destinados a limitar o escopo das reivindicações.

EXEMPLOS:

[081] Os seguintes exemplos são estabelecidos abaixo para ilustrar os métodos e resultados de acordo com a matéria revelada. Esses exemplos não pretendem ser inclusivos de todos os aspectos da matéria revelada no presente documento, mas sim ilustrar métodos e resultados representativos. Esses exemplos não pretendem excluir equivalentes e variações da presente invenção que são evidentes para um indivíduo versado na técnica.

[082] Foram feitos esforços para assegurar a precisão em relação aos números (por exemplo, quantidades, temperatura, etc.), mas alguns erros e desvios devem ser contabilizados. Exceto se indicado de outro modo, as partes são partes por peso, a temperatura está em °C ou em temperatura ambiente e a pressão é atmosférica ou próxima da mesma. Há inúmeras variações e combinações de condições de reação, por exemplo, concentrações de componente, temperaturas, pressões e outras faixas e condições de reação que podem ser usadas para otimizar a pureza e rendimento obtidos do processo descrito.

CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL: CATALISADORES

[083] Um total de quatro diferentes catalisadores em formato de margarida de três fornecedores mundiais foram avaliados. Os detalhes de cada catalisador (valores médios) são resumidos na Tabela 1. TABELA 1:

UNIDADE DE CORRENTE DIVIDIDA

[084] Todos os experimentos foram realizados em uma unidade de corrente dividida conectada à saída da redução catalítica seletiva (óxidos de nitrogênio) S(N)CR de uma usina de negro de carbono industrial por uma pistola exemplificativa centralizada. A montante da S(N)CR, o gás é comburido em uma caldeira e a jusante da mesma é enviado para a chaminé. Uma composição típica da corrente de gás comburido enviada para a chaminé foi de 35 a 45% em Voluma de H2O, 0,5 a 3% em Voluma de O2, < 100 ppmv de NOx, 50 a 400 ppmv de SO2, < 15% em Volume de CO2 e < 10 mg/Nm3 de PM.

[085] O fluxo de gás extraído para o teste de corrente dividida foi controlado por um medidor de fluxo de massa (20 a 60 Nm3/h, o que resulta em velocidades de gás de 0,59 a 1,78 m/s dentro do leito de guarda e reator) e alimentado através de um sistema de aquecimento elétrico para ajustar a temperatura (350 a 600 °C) independentemente da S(N)CR. Em uma etapa seguinte, a opção de elevar ao pico a PM e/ou SO2 e/ou ar (conteúdo de O2) foi instalada. A elevação de pico de SO2 foi feita por 50% de SO2 em garrafa de gás N2 gás e uma taxa de fluxo fixa controlada. Desse modo, uma quantidade fixa de SO2 pode ser elevada ao pico e as flutuações típicas (50 a 400 ppmv) não são compensadas. A PM foi tipicamente elevada ao pico como dispersão atomizada com 500 ml/h adicionados e um fluxo de ar de atomização de 1 Nm3/h ar. Além disso, vários negros de carbono (CB) foram adicionados como sólidos com o uso de uma dosagem semicontínua com aproximadamente 0,5 mg adicionado a cada 2 a 60 segundos e um controle da quantidade total dosada. Depois de alguns metros de tubulação, assegurando-se que o gás foi bem misturado depois da elevação de pico, o gás foi alimentado no reator descendente com uma sonda de SO2 para a concentração de entrada. O primeiro segmento (di = 109,1, h = 300 mm) é o leito de guarda, seguido por uma sonda de amostra para a medição de SO2. O reator tinha três segmentos (cada um com di = 109,1, h = 450 mm), o que permite determinação precisa do perfil de comprimento de catalisadores gasto. Uma terceira sonda de SO2 foi instalada na saída do reator. O leito de guarda e reator foram eletricamente aquecidos à temperatura de reação, o que evita a perda de aquecimento. A pressão diferencial pelo leito de guarda e cada segmento de reator foi medido, assim como a pressão diferencial sobre o leito de guarda e reator, por exemplo, seções preenchidas de catalisador da unidade. O gás foi alimentado através de um condensador, depois para dentro de um soprador de canal lateral e, finalmente, para dentro de uma chaminé.

TESTE CINÉTICO

[086] O teste cinético foi realizado com a mistura de ar com SO2 (ambos controlados por metros de fluxo de massa), a alimentação da mistura através de um misturador de gás, com o pré-aquecimento em uma mangueira aquecida e alimentação em um reator de metal montado em um forno de tubo dividido. O SO2 foi medido na saída do reator, assim como na entrada. Com o teste de uma variedade de diferentes catalisadores, o reator foi preenchido com uma massa consistente de catalisador e areia inerte é usada para minimizar efeitos de fluxo de parede. As condições operacionais típicas foram: ar de fluxo de entrada 2,5 Nl/min fluxo de entrada de 2% de Volume de SO2 em N2 0,075 Nl/min Temperatura de mangueira de aquecimento de 450 °C temperatura de fornalha de tubo dividido 500 °C massa de catalisador 22,5 g diâmetro interior do tubo de reator 20 mm

[087] Foi validado que o teste foi realizado sem limitação de transporte e fluxo de canalização foi impedido por material de preenchimento inerte. Todos os experimentos foram realizados até se alcançar o equilíbrio. Adicionalmente, uma medição de referência regular com catalisador I novo foi realizada, o que validou a estabilidade do teste.

EXEMPLO 1

[088] O primeiro exemplo avaliou se há acúmulo de pressão ou envenenamento do catalisador ao ser executado com PM múltiplas vezes superior a < 1 mg/Nm3 tipicamente alcançado depois de PM ser removida de um gás de escape comburido com o uso de precipitação eletrostática (ESP).

[089] O primeiro ensaio (1-A) foi realizado com o catalisador IV e uma taxa de fluxo de 60 Nm3/h, que é aproximadamente uma velocidade de gás três vezes superior dentro do reator do que em usinas de WSA comerciais e, portanto, intencionalmente superenfatizando efeitos negativos possíveis da PM. As condições operacionais foram: SO2 50 a 500 ppmv, com uma média de 225 ppmv H2O > 30% em Volume O2 comumente cerca de 1,2% em Volume PM < 0,1 gPM/kgcatalisador h temperatura de reator (fase de gás) 420 °C

[090] Foi constatado que mesmo depois de 28 dias de operação nem a pressão diferencial do leito de guarda (450 Pa (4,5 mbar)), nwm aquela sobre o reator (1.200 Pa (12 mbar)) aumentaram. O teste cinético subsequente de diversas amostras por comprimento do leito de guarda e pelo reator não mostrou diferença significativa em relação à amostra nova. O exemplo mostra que a PM com base em CB é oxidada pelo catalisador no leito de guarda visto que não há acúmulo de pressão. Além disso, o exemplo mostra que essa combustão não impacta termicamente o catalisador, nem o catalisador é envenenado devido a metais pesados que se originam no óleo de alimentação (conforme mostrado pelo teste cinético). Inesperadamente, o catalisador no leito de guarda não foi envenenado como esperado devido aos metais pesados nos óleos de alimentação.

[091] O segundo ensaio (I-B) foi uma repetição, mas com o uso do catalisador I e execução de 42 dias. Os parâmetros de processo foram conforme a seguir: SO2 50 a 500 ppmv, com uma média de 215 ppmv H2O > 35% em Volume O2 comumente cerca de 2,5% em Volume PM < 0,1 gPM/kgcatalisador h temperatura de reator (fase de gás) 395 °C

[092] Mais uma vez nem um aumento na pressão diferencial (leito de guarda 200 Pa ou 2 mbar, reator 1.250 Pa ou 12,5 mbar), nem uma perda na atividade de vários pontos pelo comprimento de leito de guarda e reator foram observados.

EXEMPLO 2

[093] Esses exemplos mostram o impacto do nível de SO2 na conversão do SO2.

[094] A conversão de SO2 em condições de processo comparáveis (fluxo de 30 Nm3/h, H2O >> 30%% em Volume, O2 >> 1% em Volume, 10 l de catalisador, Treação = 395 °C, carga de PM < 0,15 gPM/kgcatalisadorh]), mas níveis de SO2 variáveis como na Tabela 2. TABELA 2:

[095] Essas medições validam que um catalisador de WSA comum também é ativo em condições de processo típicas para uma usina de CB. Nenhum teste em cargas de SO2 superiores (faixa de porcentagem de dígito único) foi realizado devido ao fato de que o catalisador será pelo menos tão ativo quanto em níveis de SO2 inferiores, contanto que o conteúdo de oxigênio seja suficientemente alto e os níveis de SO2 não excedam níveis de WSA típicos.

[096] Os experimentos também indicam que em níveis de SO2 muito baixos a escolha de catalisador pode impactar a conversão significativamente.

[097] Os Exemplos 1 e 2 demonstram que não há diferença (significativa) na conversão com o uso de um leito de guarda comparado a um processo de WSA com o uso de precipitador eletrostático.

EXEMPLO 3

[098] Tendo mostrado que um leito de guarda pode proteger um processo de WSA convencional de envenenamento por altos níveis de PM, a robustez do processo foi demonstrada. A maior ameaça para o leito de guarda/sistema de catalisador seria um aumento na carga de PM, tanto por operação de caldeira quanto por um rompimento de filtro. Para simular essas operações em modo de falha, CB adicional foi elevado ao pico no sistema, aumentado a PM para até 500 mg/Nm3 por algumas horas. Com uma operação de modo de falha com duração de apenas alguns minutos, esse teste intencionalmente enfatizou a carga de PM, com o propósito de demonstrar a robustez do sistema.

[099] O ensaio 3-A foi realizado com catalisador I, a entrada de SO2 variando entre 700 e 1.100 ppmv e o fluxo de gás mantido constante a 30 Nm3/h. Cada etapa foi aplicada por pelo menos 3 h e um total de 278 g de CB foi adicionado durante o teste (Tabela 3). TABELA 3:

[0100] Embora a pressão diferencial tenha diminuído ligeiramente com níveis de PM aumentados, o equilíbrio de dosagem contínuo entre adicionar nova PM e oxidar PM depositada foi estabelecido. Os dados mostram que a pressão delta se elevada um pouco a cada nível de PM depois de alguns minutos de dosagem, mas fica nesse nível pelo tempo restante de elevação de pico nesse nível. Isso foi validado repetidamente com a adição de determinado nível de PM e interrompendo-se a dosagem. Foi mostrado que as pressões diferenciais foram mudando entre o valor inicial (sem elevação de pico de PM) e o valor ligeiramente maior durante a elevação de pico. A redução significativa na com o aumento na carga de PM provavelmente tem base no fato de que o leito de guarda está cataliticamente ativo (mesmo material catalisador como nos reatores) e de que a oxidação da PM compete com a oxidação de SO2. Por outro lado, o nível de oxigênio foi inferior nos experimentos. Em uma aplicação industrial o nível de oxigênio seria controlado depois do leito de guarda adicionando-se ar quente, validando que a conversão no reator não é limitada.

[0101] O experimento 3-B usou o catalisador II, com entrada de SO2 variável em cerca de 1.100 ppmv, um fluxo de gás total constante de 20 Nm3/h, O2 > 1,5% em Volume de H2O > 40% em Volume e cada etapa de dosagem durou aproximadamente 5 h. Observa-se que, no total, menos catalisador foi preenchido para enfatizar as mudanças potenciais na conversão. O CB totalmente adicionado foi de 130 g (Tabela 4). TABELA 4:

[0102] O benefício da alta atividade do catalisador II (promovido por Cs) em comparação com o catalisador I é evidente em relação à eficiência de oxidação para CB. Mesmo em cargas de PM altas de modo irrealista, o leito de guarda pode oxidar a PM sem nenhum aumento significativo na pressão diferencial.

[0103] O teste cinético do catalisador e amostras de leito de guarda de ensaio 3-A e 3-B não mostrou diferença significativa para o catalisador de referência novo do mesmo tipo.

EXEMPLO 4

[0104] A capacidade de vários leitos de guarda de reduzir a PM foi testada com diferentes materiais. Os filtros de metal mecânicos são os mais frascos em termos de eficiência. Além da seleção de material, a escolha do tamanho de malha pode ser complicada. Se for muito grande, o filtro não é eficiente, se for muito pequena o filtro bloqueia em minutos, mesmo em operações normais. O material de absorção é uma opção que pode operar por um tempo longo sem aumento de pressão delta. Os mesmos são altamente adequados em cenários de mau funcionamento em que a chance de bloqueio é alta. O filtro monolítico, cataliticamente ativo com base em metal precioso não bloqueou, embora os canais do monólito estivessem na faixa de mm. O material carbonáceo foi queimado efetivamente pelos metais preciosos pela temperatura suficientemente alta da corrente de gás (> 400 °C). Uma variedade de catalisadores de WSA em formato de margarida comerciais foi reduzi drasticamente a carga de PM com diferenças significativas em eficiência. As medições de PM foram realizadas de acordo com o documento no EN13284. Os dados de eficiência estão na Tabela 5. TABELA 5:

[0105] Todos os testes foram realizados em cargas de PM aumentadas (0,79 gPM/kgcatalisadorh) e a eficiência foi testada depois de 36 a 45 h de elevação de pico de PM. Portanto, o teste subestima significativamente a eficiência dos leitos de guarda sobrecarregando intencionalmente os mesmos. Isso assegura que os leitos de guarda operem em condições não padrão. Mais uma vez, a excelente eficiência oxidante de PM do catalisador II é demonstrada, conforme já visto no Exemple 3-B.

EXEMPLO 5

[0106] A inclusão de uma usina de WSA em uma instalação de negro de carbono, conforme revelados no presente documento, não apenas atende ao estreitamento dos limites de emissão mundialmente, conforme demonstrado nos exemplos anteriores, mas também fornece o benefício significativo da eficiência de instalação geral aumentada (isto é, a razão de MWh/tonNegro de carbono). Esse aprimoramento de eficiência é ilustrado na Figura 4.

[0107] Uma instalação de negro de carbono sem calor combinado não alcança 50% da eficiência geral de usina. Contudo, uma instalação que inclui os métodos revelados e sistemas podem alcançar >85% da eficiência geral. Todos os dados para a eficiência de usina de base têm base no Capítulo 4 do documento EU BREF (Documento de Referência, O BAT (Melhores Técnicas Disponíveis), (BREF) de Prevenção e Controle Integrados de Poluição da Comissão Europeia) intitulado Large Volume Inorganic Chemicals - Solids and Others (LVIC-S) industry e refletem trocas de informações realizadas no Artigo 16(2) do Concelho Diretivo 96/61/EC (IPPC Directive), agosto de 2007, que é incorporada no presente documento a título de referência devido a seus ensinamentos sobre técnicas, instalações e dispositivos de processo de negro de carbono).

[0108] Adicionalmente, com a remoção de NOx e SOx, espera-se que o gás de exaustão contenha quantidades muito baixas de contaminantes, o que deveria permitir adicionalmente condensação de gás de exaustão rentável e direta. Isso levará adicionalmente a benefícios maiores, tais como redução de PM e emissões de SOx. A PM pode ser virtualmente eliminada do gás de exaustão, o que pode permitir o uso de insumos de S superiores e, assim, uma possibilidade de manter a competitividade (insumo de S inferior que se estima que aumentem drasticamente de preço durante os próximos anos). Benefícios adicionais podem pode ser o consumo de água reduzido. O consumo de água é outra questão de pressão de um ponto de vista da legislação ambiental assim como ponto de vista de custo. A possibilidade de ter uma unidade de condensação de gás de exaustão gerando um condensado limpo pode permitir reciclagem da água para uso como água de processo. Ainda adicionalmente, uma unidade de condensação de gás de exaustão pode aumentar substancialmente a emissão de calor para aplicações residenciais ou comerciais.

[0109] Outras vantagens que são óbvias e que são inerentes à invenção serão evidentes para um indivíduo com habilidade na técnica. Será compreendido que determinados recursos e subcombinações têm utilidade e podem ser empregados sem referência a outros recursos e subcombinações. Isso é observado e está dentro do escopo das reivindicações. Visto que muitas modalidades possíveis podem ser feitas a partir da invenção sem se afastar do escopo da mesma, deve-se compreender que toda matéria estabelecida no presente documento ou mostrada nos desenhos anexos deve ser interpretada como ilustrativa e não no sentido limitante.

[0110] Os métodos e sistemas das reivindicações anexas não se limitam ao escopo pelos métodos e sistemas específicos descritos no presente documento, os quais se destinam a ilustrar alguns aspectos das reivindicações e quaisquer métodos e sistemas que sejam funcionalmente equivalentes são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações. Várias modificações dos métodos e sistemas adicionalmente àqueles mostrados e descritos no presente documento se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações anexas. Adicionalmente, embora apenas determinados meios de sistema/etapas de método representativos revelados no presente documento sejam especificamente revelados, outras combinações dos meios de sistema/etapas de método também são destinadas a estarem no escopo das reivindicações anexas, mesmo se não forem especificamente citados. Portanto, uma combinação de etapas, elementos, componentes ou constituintes pode ser explicitamente mencionada no presente documento, contudo, outras combinações de etapas, elementos, componentes e constituintes são incluídas, mesmo que não sejam explicitamente declaradas.

Claims (30)

1. Método de redução de matéria particulada de um gás de escape de um processo de negro de carbono caracterizado por produzir negro de carbono e gás de escape em um processo de negro de carbono, coletar o negro de carbono, em que a coleta do negro de carbono compreende a filtragem para separar o negro de carbono dos gás de escape, comburir o gás de escape separado para, desse modo, produzir um gás de escape comburido que compreende matéria particulada, oxidar cataliticamente pelo menos uma porção da matéria particulada, o que remove pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido com o uso de um leito de guarda (118) que compreende um catalisador de oxidação.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás de escape comburido não ser atravessado por um precipitador eletrostático.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por, antes de comburir o gás de escape, o gás de escape ser filtrado para remover pelo menos uma porção da matéria particulada.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o gás de escape ser produzido a partir da decomposição térmica de um hidrocarboneto ou combustão incompleta de um hidrocarboneto.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o hidrocarboneto compreender um óleo destilado pesado, um óleo residual pesado, um óleo destilado a vácuo, um óleo a vácuo pesado, um óleo destilado de fracionador catalítico fluidizado, um óleo residual de fracionador catalítico fluidizado, um óleo destilado de gaseificação de carvão, um óleo residual de gaseificação de carvão, um óleo de alcatrão de gaseificação de carvão, um óleo destilado de destilação de carvão, um óleo residual de destilação de carvão, um óleo de alcatrão de destilação de carvão, um óleo destilado de fracionamento de corrente, um óleo residual de fracionamento de corrente, um óleo de alcatrão de fracionamento de corrente, um óleo destilado de processos de destilação de reação de polímero, um óleo residual de processos de destilação de reação de polímero, um óleo de alcatrão de processos de destilação de reação de polímero, um óleo destilado de uma fonte biológica, um óleo combustível de uma fonte biológica, um óleo residual de uma fonte biológica, um óleo destilado de uma fonte renovável, um óleo combustível de uma fonte renovável, um óleo residual de uma fonte renovável ou combinações dos mesmos.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por o gás de escape compreender de 1 a 5.000 mg/Nm3 de matéria particulada.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o gás de escape compreender 30 mg/Nm3 ou menos de matéria particulada.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o gás de escape comburido compreender de 1 a 5.000 mg/Nm3 de matéria particulada.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por pelo menos uma porção da matéria particulada ser oxidada com um catalisador de oxidação.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o catalisador de oxidação ser um catalisador de WSA.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por pelo menos uma porção da matéria particulada ser oxidada com a passagem da matéria particulada através de um leito de guarda (118).

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o leito de guarda (118) compreender um catalisador de oxidação.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado por o catalisador de oxidação compreender vanádio, cobalto, molibdênio, manganês, sódio, potássio, césio, platina, paládio, ferro ou combinações dos mesmos.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado por o catalisador de oxidação ser sustentado em um substrato termicamente estável.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o substrato termicamente estável compreender alumina, sílica, cromia, zircônia, tungstênio, terra diatomácea, cordierita ou combinações dos mesmos.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado por o leito de guarda (118) oxidar 90% em peso ou mais da matéria particulada, com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda (118).

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado por, depois de pelo menos uma porção da matéria particulada ser removida do gás de escape comburido, o gás de escape comburido compreender 30 mg/Nm3 ou menos de matéria particulada.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado por o gás de escape comburido compreender de 50 a 6.000 ppmv de dióxido de enxofre.

19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado por compreender adicionalmente remover óxidos de enxofre em um processo de ácido sulfúrico a úmido sem aquecer o gás comburido.

20. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado por os óxidos de enxofre serem removidos do gás de escape comburido com eficiência térmica aumentada em comparação com um método em que redução de matéria particulada equivalente é alcançada com o uso de um precipitador eletrostático.

21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado por o gás de escape comburido compreender de 10 a 50% em peso de água, menos que 10 mg/Nm3 de matéria particulada e de 50 ppmv a 10% em peso de dióxido de enxofre.

22. Sistema (100) para reduzir matéria particulada em um gás de escape reduzido de um módulo de processo de negro de carbono caracterizado por compreender um módulo de processo (102) de negro de carbono configurado para produzir negro de carbono e um gás de escape reduzido, um filtro (106) para separar o negro de carbono do gás de escape reduzido, um dispositivo de combustão (110) configurado para receber o gás de escape separado e reduzido e comburir o gás de escape reduzido para produzir um gás de escape comburido que compreende matéria particulada, e um dispositivo de remoção de matéria particulada configurado para receber o gás de escape comburido e oxidar cataliticamente pelo menos uma porção da matéria particulada do gás de escape comburido.

23. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por o sistema (100) ser isento de um precipitador eletrostático.

24. Sistema (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 ou 23, caracterizado por o dispositivo de remoção de matéria particulada compreender um leito de guarda (118).

25. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por o leito de guarda (118) compreender um catalisador de oxidação.

26. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 25, caracterizado por o catalisador de oxidação ser um catalisador de WSA.

27. Sistema (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 ou 26, caracterizado por o catalisador de oxidação compreender vanádio, cobalto, molibdênio, manganês, sódio, potássio, césio, platina, paládio, ferro, ou combinações dos mesmos.

28. Sistema (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 25 a 27, caracterizado por o catalisador de oxidação ser sustentado em um substrato termicamente estável.

29. Sistema (100), de acordo com a reivindicação 28, caracterizado por o substrato termicamente estável compreender alumina, sílica, cromia, zircônia, tungstênio, terra diatomácea, cordierita ou combinações dos mesmos.

30. Sistema (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 29, caracterizado por o leito de guarda (118) remover 90% em peso ou mais da matéria particulada, com base na massa total de matéria particulada presente no gás de escape comburido antes do leito de guarda (118).

Images