BR112018012075B1

BR112018012075B1 - bocal e sistema para tratamento de explosão de vapor de material de biomassa compreendendo o bocal

Info

Publication number: BR112018012075B1
Application number: BR112018012075-8A
Authority: BR
Inventors: Bjoern HUEHNLEIN; Thomas Hoppe; Ralf HORTSCH; Konstanze Graser
Original assignee: Clariant International Ltd
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2020-12-22
Also published as: CA3005567C; BR112018012075A2; AU2016371681B2; AU2016371681A1; CN108290127A; EP3389841A1; EP3181219B1; BR112018012075B8; US11155962B2; CA3005567A1; AU2016371681B9; EA201891412A1; US20200011011A1; AR106965A1; EA034743B1; CN108290127B; WO2017102330A1; EP3181219A1

Abstract

Um dispositivo de economia de vapor para um sistema de explosão de vapor para pré-tratamento hidrotérmico de biomassa compreende um corpo tubular (30) com uma primeira extremidade aberta (32) e uma segunda extremidade aberta (34). A primeira extremidade aberta (32) sendo adaptada para ser acoplada a uma abertura de saída (14) de um recipiente de reator de explosão de vapor (10), a segunda extremidade aberta (34) sendo adaptada para ser acoplada a uma linha de descarga (18). A superfície interna (36) do corpo tubular (30) do bocal (16) pode compreender uma estrutura helicoidal gravada (38).

Description

A presente invenção se refere a um dispositivo de economia de vapor

[001] Sistemas de explosão de vapor convencional tipicamente compreendem um vaso de reator, tendo entradas e saídas, um sistema e tubulação e um dispositivo de separação para separar vapor e outros gases da biomassa pré- tratados. O vaso de reator compreende entradas para carregar biomassa e vapor. A mistura de biomassa/vapor é pressurizada no vaso de reator por um período de tempo predefinido. O material de biomassa infundido de vapor é então rapidamente despressurizado e transportado por meio de um sistema de tubulação para o dispositivo de separação. A biomassa assim obtida é então submetida a etapas de processamento adicionais.

[002] Um sistema de explosão de vapor com os elementos acima, por exemplo, é conhecido a partir de EP 2389480 e EP 2389445.

[003] A presente invenção soluciona o problema de reduzir o consumo de vapor em pré-tratamento hidrotérmico de biomassa.

[004] Este problema é solucionado pela provisão de um dispositivo de economia de vapor ou bocal de acordo com a reivindicação 1.

[005] O bocal compreende um corpo tubular com uma primeira extremidade aberta e uma segunda extremidade aberta. O bocal é adaptado para ser inserido em e acoplado em uma abertura de saída de um reator de explosão de vapor, em que a segunda extremidade aberta é acoplada a um conduto para transportar a biomassa pré-tratada para pelo menos um segundo dispositivo, de preferência compreendendo um separador e a primeira extremidade aberta está se alinhando com a parede interna do vaso de reator ou se projetando para dentro do vaso de reator. A superfície interna do corpo tubular do bocal compreende uma estrutura helicoidal gravada.

[006] Foi surpreendentemente encontrado pelos inventores, que a estrutura helicoidal gravada do bocal reduz consideravelmente o consumo de vapor do sistema de pré-tratamento hidrotérmico.

[007] As dimensões do bocal dependem os parâmetros de processo e o material de biomassa a ser tratado. As dimensões do bocal, portanto em geral têm que ser adaptadas às condições de processo específicas.

[008] Em uma modalidade preferida, o passo da estrutura helicoidal gravada está na faixa de 1 a 300 mm, de preferência de 10 a 150 mm, mais preferivelmente de 20 a 100 mm e mais preferivelmente de 30 a 60 mm. Particularmente são preferidos 30, 40, 50 e 60 mm.

[009] O comprimento do bocal está na faixa de 1 a 3500 mm, de preferência de 10 a 1000 mm, e mais preferivelmente de 30 a 600 mm, ainda preferido de 60 a 500 mm. Mais preferidos são os comprimentos de 50, 60, 80, 100, 200, 300, 400 e 500 mm. O comprimento e o passo da estrutura helicoidal gravada podem ser adequados para serem escolhidos de modo que cerca de 1 a 5 convoluções completas e de preferência 2 convoluções completas são obtidas.

[010] A área de seção transversal da superfície interna do bocal está na faixa de 10 a 9000 mm2, de preferência de 20 a 8000 mm2, mais preferivelmente de 50 a 700 mm2, também preferida de 60 a 5000 mm2. Faixas preferidas adicionais são de 10 a 150 mm2, de 30 a 100 mm2 e de 50 a 80 mm2, bem como faixas de 1000 mm2 a 8000mm2, de 1500 a 7000 mm2 e de 2000 a 6000 mm2. Quanto menor a área de seções transversal da superfície interna do bocal, menor é o consumo de vapor total.

[011] O bocal pode ter qualquer formato adequado. No entanto, de preferência, o formato de seção transversal da superfície interna do bocal é circular ou elipsóide, de modo que turbulências do fluxo de material de biomassa são reduzidas.

[012] A profundidade da estrutura helicoidal gravada está na faixa de 0,1 a 15 mm, de preferência de 0,5 a 10 mm, e mais preferivelmente de 1 a 5 mm, enquanto de 1,5 a 3 mm também é preferida.

[013] A largura da estrutura helicoidal gravada está na faixa de 0,1 a 3 mm, de preferência de 0,5 a 2 mm, e mais preferivelmente de 1,0 a 1,5 mm.

[014] O bocal pode em geral ser feito de qualquer material conhecido de uma pessoa versada na técnica quando adequado para o propósito inventivo. Os bocais são de preferência feitos de material de alta resistência à abrasão tal como material cerâmico, tal como óxido de alumínio, e mais preferivelmente de material de óxido de alumínio de alta pureza, e mais preferivelmente de óxido de alumínio tendo uma pureza acima de 92% e mais preferivelmente tendo uma pureza de 99,7%, particularmente preferida uma pureza de 99,50 a 99,99%. Uma resistência à abrasão de dureza de Vickers de pelo menos 1800 MPa é preferida. Particularmente preferida é uma resistência à abrasão de dureza de Vickers de pelo menos 2000 MPa, em que pelo menos 2500 MPa são mais preferidos.

[015] Em um aspecto adicional, a presente invenção também é direcionada a um sistema para tratamento de explosão de vapor de material de biomassa, compreendendo um vaso de reator pressurizado, com pelo menos uma saída. Um bocal tubular como definido dentro da aplicação com uma estrutura helicoidal gravada em sua superfície de parede interna é inserido dentro e acoplado na pelo menos uma saída do vaso de reator. Dentro de uma modalidade preferida, o sistema ainda compreende um conduto acoplado ao bocal para transportar a biomassa pré- tratada para pelo menos um segundo dispositivo, e pelo menos um segundo dispositivo, de preferência compreendendo um separador.

[016] Qualquer separador adequado pode ser usado dentro do sistema da presente invenção para separar os sólidos e vapor. Dentro de uma modalidade preferida, o sistema compreende um separador de ciclone. Também é possível usar múltiplos separadores de ciclones para a separação de biomassa e vapor. Dentro de uma modalidade particularmente preferida, o sistema compreende meios para separar vapor pressurizado dos sólidos. O vapor pressurizado pode então ser reciclado no vaso de reator e/ou ser utilizado para outras aplicações levando a uma diminuição ainda maior de consumo de vapor. “Meios para separar vapor pressurizado”, de acordo com as aplicações presentes, podem ser realizados como uma combinação de dois dispositivos em que o primeiro dispositivo funciona como um separador mecânico para separar o vapor pressurizado do material pré-tratado e um separador de ciclone subsequente para separação de vapor adicional e expandir para pressão atmosférica. Dentro de uma modalidade alternativa, o separador pode ser um separador de ciclone de pressão.

[017] O material de biomassa a ser tratado pelo sistema pode ser material lignocelulósico. O material lignocelulósico inclui, mas não é limitado a, material vegetal, tal como palha de trigo, palha de cevada, palha de arroz, lascas de maneira e rejeitos de serraria e fábrica de papel, palha de milho, bagaço de cana, e outros resíduos agrícolas, culturas de energia dedicada, resíduos municipais de papel e qualquer outro material de biomassa compreendendo celulose, hemicelulose e lignina. O material de biomassa de preferência tem um conteúdo de matéria seca (DM) de 30 a 70% por peso, ainda preferido de 40 a 60% por peso e também preferido de 45 a 55% por peso.

[018] Aspectos descritos em relação a um aspecto podem igualmente ser aplicados em outros aspectos da invenção.

[019] A invenção será ainda descrita, por meio de exemplo somente, com referência aos desenhos anexos em que: a Figura 1 mostra um diagrama de fluxo de processo de um processo de pré-tratamento hidrotérmico; a Figura 2 mostra uma parte de um bocal de corte aberto da presente invenção com parede interna helicoidalmente gravada; a Figura 3 mostra um diagrama ilustrando o consumo de vapor do sistema com e sem usar um bocal na extremidade de saída do vaso de reator;

[020] Na Figura 1 é representado um diagrama de fluxo de processo que ilustra os componentes principais de um sistema de pré-tratamento hidrotérmico. O sistema compreende um vaso de reator 10 com entradas 12 e uma saída 14. Um dispositivo de economia de vapor/bocal 16 é fornecido na saída 14 do vaso de reator 10, o bocal 16 é acoplado em um conduto 18 que é conectado a um dispositivo de separação 20.

[021] Em um processo de pré-tratamento hidrotérmico, biomassa e vapor são transportados para o vaso de reator 10 por meio de entradas 12. O material de biomassa é pressurizado com vapor no vaso de reator 10 em temperaturas elevadas por um período de tempo predeterminado. Depois do tratamento e calor/pressa, a válvula de saída 14 é aberta e a biomassa hidrotermicamente pré-tratada é permitida expandir. O processo de expansão também é referido como “explosão de vapor”. Liberando rapidamente a pressão, o vapor se expande dentro do material de biomassa e rompe as células do material de biomassa e desfibrila o material de biomassa. Na modalidade representada na Figura 1, o dispositivo de separação é um ciclone 20 tendo uma primeira saída 22 para a biomassa pré-tratada e uma segunda saída 24 para vapor e outros gases.

[022] Em uma modalidade preferida da invenção, o dispositivo de economia de vapor é um bocal tubular 16, como representado na Figura 2. O bocal 16 compreende um corpo tubular em geral cilíndrico 30 com uma primeira extremidade aberta 32 e uma segunda extremidade aberta 34. O corpo tubular 30 tem uma seção transversal em geral circular. A superfície de parede interna 36 o corpo tubular 30 é fornecida com uma estrutura helicoidal gravada. As estruturas representadas da Figura 2 não correspondem necessariamente com as dimensões reais do bocal 16. Somente uma metade inferior do bocal 16 é representada, tal que a estrutura helicoidal gravada na superfície de parede interna 36 é visível. A estrutura helicoidal consiste de várias ranhuras 40 tendo uma profundidade de 1 mm e uma largura de 1,5 mm. O passo das ranhuras 30 equivale a 30 mm de modo que cada ranhura 40 forma duas convoluções ao longo do comprimento completo de 60 mm do bocal 16.

[023] O bocal 16 representado na Figura 2 é feito de material de óxido de alumínio de alta pureza comercialmente disponível (99,7% de Al2O3). Com um bocal 16 feito deste material, nenhuma abrasão foi detectada depois de 200 horas de operação. Assim, o bocal 16 não somente reduz a quantidade de vapor exigida no pré-tratamento hidrotérmico de biomassa, mas o bocal de cerâmica 16 também permite a operação mais suave, desde que o processo de pré-tratamento não tenha que ser interrompido para manutenção.

[024] A seguir, resultados experimentais para consumo de vapor em um processo de pré-tratamento hidrotérmico de acordo com o estado da técnica (sem bocal) e com um bocal de acordo com a invenção são mostrados.

Exemplo Comparativo

[025] Neste exemplo, o material de biomassa foi fardos de palha de trigo que foram soltos num triturador de fardos equipado com raspadores rotativos operados a 3000 rpm produzindo partículas com tamanhos de partícula de 10 a 40 cm. Este tamanho de partícula assegura transporte suave da palha e a operação da etapa de moagem subsequente. O material de biomassa foi transportado pneumaticamente para um moinho de martelo operado em 3000 rpm com peneiras de 30 mm onde a palha foi cortada em peças com tamanhos de partícula de 1 a 5 cm.

[026] A palha cortada foi transportada para o sistema de pré-tratamento térmico com um alimentador de tambor de pino seguido por um parafuso de transporte e parafuso de conexão. No vaso de reator, a palha de trigo foi pré-tratada continuamente em um reator em 160°C por 5 minutos sem adição de quaisquer produtos químicos. Depois deste pré-tratamento hidrotérmico, o material de biomassa foi transportado para um ciclone para separar os materiais orgânicos dos gases.

[027] O vaso de reator usado em pré-tratamento térmico tinha uma saída com uma área de seção transversal de cerca de 283 mm2. O vapor foi medido para chegar a 4,6 kg de vapor por 1 kg de matéria seca como representado na Figura 3.

Exemplo 1:

[028] Um bocal com estrutura helicoidal gravada de acordo com a presente invenção foi inserido na saída do vaso de reator. O bocal foi feito de cerâmica de óxido de alumínio (99,7%) tendo um comprimento de 60 mm e foi fornecido com uma estrutura helicoidal gravada na superfície de parede interna. A estrutura helicoidal tinha um passo de 30 mm. As duas ranhuras da estrutura helicoidal tinham uma profundidade de 1,0 mm e uma largura de 1,5 mm.

[029] O parâmetro de processo adicional foi idêntico aos parâmetros de processo do exemplo comparativo.

[030] Na Tabela 1 e Figura 3, os resultados do consumo de vapor sem bocal e com um bocal de acordo com a presente invenção são indicados. Com alimentação de matéria seca constante de 400 kg/h, o consumo de vapor atingiu 1840 kg/h sem bocal. Isto corresponde a um consumo de vapor específico de 4,6 kg de vapor por 1 kg de matéria seca.

[031] Em contraste com isso, usando o bocal de acordo com a presente invenção, para a mesma quantidade e alimentação de matéria seca, o consumo de vapor foi reduzido para 364,7 kg/h. Isto corresponde a um consumo de vapor específico de somente 0,91 kg de vapor por 1kg de matéria seca, o que representa uma redução específica de vapor pelo fator 5.

[032] Como uma vantagem final, a pressão resultante no conduto entre o bocal e o dispositivo separador foi reduzida quando um bocal de acordo com a presente invenção foi usado. A pressão reduzida afeta de modo benéfico o tempo de vida do sistema de tubulação.

Claims

1. Bocal (16) adaptado para ser acoplado a e inserido em uma abertura de saída (14) de um vaso de reator (10) de um sistema de explosão de vapor para o pré-tratamento hidrotérmico de biomassa, o bocal (16) CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um corpo tubular (30) com uma primeira extremidade aberta (32) e uma segunda extremidade aberta (34), a primeira extremidade aberta (32) sendo adaptada para ser acoplada a e inserida em uma abertura de saída (14) do vaso de reator (10), a segunda extremidade aberta (34) sendo adaptada para ser acoplada a um conduto (18), em que a superfície de parede interna (36) do corpo tubular (30) do bocal (16) compreende uma estrutura helicoidal gravada.

2. Bocal (16), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o passo da estrutura helicoidal gravada está na faixa entre 1 e 300 mm.

3. Bocal (16), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de que o comprimento do bocal (16) está na faixa de 1 a 3500 mm.

4. Bocal (16), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de que a área de seção transversal da superfície de parede interna (36) do bocal (16) está na faixa de 10 a 9000 mm2.

5. Bocal (16), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de que a profundidade da estrutura helicoidal gravada está na faixa de 0,1 a 15 mm.

6. Bocal (16), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de que a largura da estrutura helicoidal gravada está na faixa de 0,1 a 3 mm.

7. Bocal (16), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADO pelo fato de que o bocal (16) é feito de um material cerâmico, de preferência de óxido de alumínio tendo uma pureza acima de 92% e mais preferivelmente tendo uma pureza de 99,7%.

8. Sistema para tratamento de explosão de vapor de material de biomassa, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um vaso de reator pressurizado (10), com pelo menos uma saída (14); um bocal (16) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, o bocal (16) sendo montado na saída (14) do vaso de reator (10).

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende: pelo menos um dispositivo de separação (20), e um conduto (18) conectando o bocal (16) no dispositivo de separação (20).