BR112019027159B1 - Dispositivo de conversão de metano, e, método para converter metano emitido por um animal em outras espécies químicas - Google Patents
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Abstract
Um dispositivo de conversão de metano compreende uma câmara de reação; um sensor para detectar a presença de metano; meios de sopro para direcionar gases externos para a câmara de reação quando o sensor detectar a presença de metano acima de um limiar predeterminado; meios de conversão que são configurados para oxidar metano; e meios de posicionamento para posicionar o dispositivo em um animal.
Description
[001] A presente invenção se refere a um dispositivo de processamento de gás para oxidar gás metano, particularmente a um dispositivo de processamento de gás para oxidar gás metano proveniente de gado.
[002] Metano é conhecido por ser um potente gás de efeito estufa, tendo um potencial de aquecimento global que é consideravelmente maior que o do dióxido de carbono. Gado é conhecido por ser uma significante fonte de gás metano, que é liberado por meio de arroto e flatulência, e isto pode ter consequências econômicas diretas para criadores de gado, uma vez que eles podem estar sujeitos a impostos com base em sua pegada de carbono.
[003] Por esses motivos, é desejável reduzir emissões de metano pelo gado.
[004] Portanto, como é mais geral, a presente invenção pode prover um dispositivo para reduzir o teor de metano de emissões gasosas dos animais tal como gado. Isto pode ser conseguido provendo um dispositivo que pode ser usado pelo animal e que é adaptado para arrastar emissões gasosas do animal para uma câmara de reação na qual meios de conversão são providos para oxidar o metano presente nas emissões. Os principais produtos do processo de oxidação são tipicamente dióxido de carbono e água, que se considera ter menor potencial de aquecimento global do que metano.
[005] Em um primeiro aspecto, a presente invenção pode prover um dispositivo de conversão de metano compreendendo:uma câmara de reação; um sensor para detectar a presença de metano; meios de sopro para direcionar gases externos para a câmara de reação quando o sensor detectar a presença de metano acima de um limiar predeterminado; meios de conversão que são configurados para oxidar metano; e meios de posicionamento para posicionar o dispositivo em um animal.
[006] Tipicamente, os meios de sopro são configurados para direcionar gases externos para a câmara de reação quando o sensor detectar a presença de metano acima de 100 ppm, possivelmente acima de 150 ppm. Os meios de sopro podem ser providos, por exemplo, por uma ventoinha de fluxo axial. Os meios de sopro podem ajudar a permitir que o metano detectado pelo sensor seja capturado pelo dispositivo antes de ele dispersar no ar.
[007] A presença de um sensor para detectar metano permite que o dispositivo seja ativado apenas quando um nível predeterminado de metano for detectado. Isto permite uso eficiente de qualquer fonte de alimentação (por exemplo, baterias) que são exigidas para potencializar o dispositivo.
[008] Em geral, a câmara de reação tem um volume menor que 200 mL, possivelmente menor que 150 mL. A câmara de reação pode ser provida pelo escape do dispositivo.
[009] Tipicamente, os meios de conversão compreendem um elemento de aquecimento, que pode ser, por exemplo, um fio. Em certos casos, o fio tem uma configuração bobinada.
[0010] Preferivelmente, o elemento de aquecimento é um elemento metálico de aquecimento por resistência. O elemento metálico de aquecimento por resistência tipicamente compreende um liga metálica selecionada do grupo que compreende: ligas de níquel-cromo, ligas de níquel- ferro, ligas de ferro-cromo-alumínio, aço inoxidável, ligas de tungstênio, ou ligas de cobre-níquel. Preferivelmente, o elemento de aquecimento compreende níquel como seu componente principal. Por exemplo, o elemento de aquecimento pode ser provido por um fio de nicromo.
[0011] Em certas modalidades, o elemento de aquecimento pode ser localizado dentro da câmara de reação.
[0012] Nessas modalidades, o dispositivo pode compreender meios de filtração que são configurados para inibir a entrada de uma ou mais espécies gasosas além de metano na câmara de reação (ou seja: parte, mas não necessariamente todos os gases externos são direcionados para a câmara de reação pelos meios de sopro). Isto ajuda a aumentar a concentração de metano na câmara de reação a um nível acima do limite explosivo inferior de metano (este é tipicamente cerca de 4% em volume de ar, dependendo da temperatura e pressão), de forma que o metano fique oxidado à medida que ele passa sobre o elemento de aquecimento. Os meios de filtração podem compreender um ou mais dos seguintes: carvão, carbono ativado, ou uma base forte tal como hidróxido de potássio. Esses meios de filtração principalmente inibem a passagem de dióxido de carbono, mas outros meios de filtração podem ser providos que inibem a passagem de outras espécies gasosas.
[0013] Em outras modalidades, o dispositivo pode compreender meios de aprisionamento que são configurados para aprisionar metano antes de ele entrar na câmara de reação, por exemplo, pela absorção do metano. Tais meios de aprisionamento tipicamente permitem a passagem de nitrogênio e oxigênio para a câmara de reação. Dessa forma, parte mas nem todos os gases externos são direcionados para a câmara de reação pelos meios de sopro.
[0014] Tais meios de aprisionamento podem ser providos por um material poroso tal como uma zeólita. A presença dos meios de aprisionamento permite que a concentração de metano seja aumentada antes de ele entrar na câmara de reação. Metano pode ser liberado dos meios de aprisionamento pela ação de um elemento de aquecimento adicional que é configurado para aquecer os meios de aprisionamento. Em certas modalidades, um filtro de dióxido de carbono pode ser provido entre os meios de sopro e os meios de aprisionamento, a fim de limitar a quantidade de dióxido de carbono que chega aos meios de aprisionamento, e assim aumentar a capacidade dos meios de aprisionamento de aprisionar metano.
[0015] Acredita-se que zeólitas aprisionem metano mais efetivamente quando o metano colide na zeólita a maior velocidade e consequentemente maior pressão parcial. Isto representa um benefício potencial adicional de prover meios de sopro no dispositivo.
[0016] Em outras modalidades, os meios de conversão podem compreender adicionalmente um catalisador, o catalisador sendo localizado dentro da câmara de reação. Tipicamente, o catalisador compreende um ou mais dos seguintes: paládio, cobre ou sílica.
[0017] Nessas modalidades, o catalisador é adaptado para facilitar a conversão de metano a dióxido de carbono e água. O catalisador tipicamente fica em contato térmico com um elemento de aquecimento, por exemplo, um fio.
[0018] Preferivelmente, o elemento de aquecimento é um elemento metálico de aquecimento por resistência. O elemento metálico de aquecimento por resistência tipicamente compreende uma liga metálica selecionada do grupo compreendendo: ligas de níquel-cromo, ligas de níquel- ferro, ligas de ferro-cromo-alumínio, aço inoxidável, ligas de tungstênio, ou ligas de cobre-níquel. Preferivelmente, o elemento de aquecimento compreende níquel como seu componente principal. Por exemplo, o elemento de aquecimento pode ser provido por um fio de nicromo.
[0019] Tipicamente, os meios para posicionar o dispositivo no animal são configurados para permitir que o dispositivo seja afixado ao nariz do animal (de maneira a converter o metano liberado nas exalações do animal).Dessa forma, os meios para posicionar o dispositivo em um animal podem compreender um anel para focinho que é configurado para afixação a um animal, por exemplo, um bovino. Em outras modalidades, os meios para posicionar o dispositivo podem compreender um grampo, por exemplo, dois braços resilientes opostos que são configurados para reter uma porção do corpo do animal, tal como o septo, entre os mesmos.
[0020] É benéfico que o dispositivo fique posicionado de maneira tal que ele possa capturar metano exalado pela boca do animal (por exemplo, um bovino), já que isto tipicamente representa a maior proporção das exalações de metano de um animal.
[0021] Em outras modalidades, o dispositivo pode ser configurado para ser afixado, por exemplo, clipado, no rabo do animal, para permitir que o dispositivo processe gases emitidos por flatulência.
[0022] Dispositivos de acordo com o primeiro aspecto da invenção podem prover um meio para obter dados a respeito da exalação de metano de animais tais como bovinos, que pode ser de importância para fazendeiros, bem como para empresas farmacêuticas, empresas nutricionais/de alimento, e organizações governamentais.
[0023] Em um segundo aspecto, a presente invenção pode prover um dispositivo de conversão de metano compreendendo: uma câmara de reação compreendendo meios de conversão que são configurados para oxidar metano; um componente de retenção de metano; meios para fazer com que metano seja liberado do componente de retenção de metano na câmara de reação; um sensor que é adaptado para detectar a presença de metano no gás exterior ao dispositivo de conversão de metano; meios de sopro configurados para conduzir gás do exterior do dispositivo sobre o componente de retenção de metano quando o sensor detectar a presença de metano acima de um limiar predeterminado; e meios de posicionamento para posicionar o dispositivo em um animal.
[0024] Tipicamente, o componente de retenção de metano compreende uma câmara contendo um material poroso que é configurado para absorver metano reversivelmente. Tipicamente, o material poroso é provido por uma mineral zeólita.
[0025] Em geral, um filtro de dióxido de carbono é provido entre os meios de sopro e o componente de retenção de metano, o filtro de dióxido de carbono sendo configurado para inibir a passagem de dióxido de carbono para o componente de retenção de metano.
[0026] Preferivelmente, os meios para fazer com que metano seja liberado do componente de retenção de metano na câmara de reação compreendem um elemento de aquecimento.
[0027] A câmara de reação, sensor, meios de sopro, meios de conversão e meios de posicionamento podem corresponder a qualquer dos componentes equivalentes do dispositivo de acordo com o primeiro aspecto da invenção.
[0028] A invenção será agora descrita a título de exemplo com referência às Figuras seguintes em que: a Figura 1 mostra uma vista em elevação frontal esquemática de uma primeira modalidade de um dispositivo de conversão de metano de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção; a Figura 2 mostra uma vista em elevação traseira esquemática do dispositivo da Figura 1; a Figura 3 mostra uma vista seccional transversal do dispositivo da Figura 1; a Figura 4 mostra uma vista seccional transversal de uma segunda modalidade de um dispositivo de conversão de metano de acordo com o primeiro aspecto da presente invenção.
[0029] Referindo-se às Figuras 1 a 3, um dispositivo de conversão de metano 10 compreende um alojamento 12 no qual são providos uma câmara de reação 14 e um compartimento de bateria 16. O alojamento compreende adicionalmente um sensor de metano 18 disposto no lado dianteiro do dispositivo de conversão e meios de sopro 20 localizados adjacentes ao sensor de metano 18 no lado dianteiro do dispositivo de combustão. Meios de sopro 20 são providos por uma ventoinha de fluxo axial que é configurada para conduzir gás do exterior do dispositivo para a câmara de reação 14.
[0030] O escape 22 é provido no lado traseiro do dispositivo de conversão 10 e adaptado para canalizar uma corrente de gás da câmara de reação 14 para o exterior do dispositivo 10.
[0031] Um leito catalítico contendo paládio é localizado dentro da câmara de reação 14. O leito catalítico fica em contato térmico com o elemento de aquecimento de fio de nicromo 24
[0032] Braços opostos 28a,b são configurados para reter o septo do bovino entre os mesmos. Barra de tensionamento 29 permite que braços opostos 28a,b sejam puxados um para perto do outro.
[0033] Em uso, braços opostos 28a,b são posicionados em qualquer lado do septo do bovino e a barra de tensionamento 29 é apertada de forma que os braços opostos 28a,b retenham o septo firmemente entre os mesmos. O dispositivo de conversão 10 é orientado de forma que o lado dianteiro do dispositivo fique voltado para a boca do bovino. Quando o sensor 18 detecta uma concentração de metano maior que, por exemplo, 200 ppm, os meios de sopro 20 são ativados para direcionar o gás exalado pelo bovino para a câmara de reação 14. O catalisador na câmara de reação 14 é aquecido a uma temperatura, por exemplo, de 600 a 700°C pelo elemento de aquecimento de fio de nicromo 24. O gás metano que passa sobre o catalisador é oxidado para formar principalmente vapor d’água e dióxido de carbono, que são expelidos do dispositivo por meio do escape 22.
[0034] Dessa forma, o fluxo de gás através do dispositivo segue o trajeto denotado pela seta A-A.
[0035] Uma modalidade alternativa do dispositivo de combustão é mostrada na Figura 4 que tem os mesmos recursos da modalidade das Figuras 1 a 3, exceto que um filtro 30 é provido entre os meios de sopro 20 e o escape 32, em vez de um catalisador. O filtro 30 absorve gases tal como dióxido de carbono que estão também presente na exalação do bovino, a fim de aumentar a concentração de metano no gás que está sendo transferido para o escape 32.
[0036] Nesta modalidade, a câmara de reação é provida dentro do escape 32. A câmara de reação compreende um elemento de aquecimento de fio de nicromo 34.
[0037] Outros recursos desta modalidade alternativa do dispositivo de combustão são os mesmos da modalidade das Figuras 1 a 3, e são denotados por números iguais.
[0038] Em uso, braços opostos 28a,b são posicionados em qualquer lado do septo do bovino e a barra de tensionamento 29 é apertada de forma que braços opostos 28a,b retenham o septo seguramente entre os mesmos. O dispositivo de combustão 10’ é orientado de maneira tal que o lado dianteiro do dispositivo fique voltado para a boca do bovino. Quando o sensor 18 detecta uma concentração de metano maior que, por exemplo, 200 ppm, os meios de sopro 20 são ativados para direcionar o gás exalado do bovino através do filtro 30 e para o escape 32.
[0039] O filtro 30 extrai dióxido de carbono da corrente de gás, de maneira a aumentar a concentração de metano a um nível acima do limite explosivo inferior de metano, que é aproximadamente 4% em volume de ar, dependendo da temperatura e pressão. Uma vez que a corrente de gás entra no escape 32 ela passa sobre o elemento de aquecimento de fio de nicromo 34, que é aquecido a uma temperatura de 700 a 800°C. O elemento de aquecimento 34 faz com que o metano na corrente de gás seja oxidado para formar principalmente dióxido de carbono e vapor d’água, que são então expelidos do dispositivo por meio do escape 32.
[0040] Dessa forma, o fluxo de gás através do dispositivo segue o trajeto denotado pela seta B-B.
[0041] Em uma variante da modalidade da Figura 4, o filtro 30 é provido por uma câmara contendo partículas de zeólita que são adaptadas para aprisionar metano e dióxido de carbono, ainda permitindo que nitrogênio e oxigênio passem através do mesmo para dentro da câmara de reação 32. Uma vez que as partículas de zeólita atinjam o ponto de saturação (ou seja, elas não são capazes de absorver mais nenhum dióxido de carbono ou metano), um elemento de aquecimento de filtro (não mostrado) é ativado. Isto faz com que o metano aprisionado seja liberado na câmara de reação 32 a uma concentração relativamente alta, de forma que ele possa ser oxidado à medida que ele passa sobre o fio de nicromo aquecido 34. Este arranjo ajuda a assegurar que a concentração de metano na câmara de reação 32 fique acima do limite explosivo inferior do metano.
[0042] Em uma modificação adicional desta variante, um filtro adicional (não mostrado) é provido entre os meios de sopro 20 e a câmara contendo zeólita 30, o filtro adicional sendo adaptado para limitar a quantidade de dióxido de carbono que chega à câmara contendo zeólita 30, de forma que a capacidade de as partículas de zeólita aprisionarem metano é aumentada.
Claims (20)
1. Dispositivo de conversão de metano, caracterizado pelo fato de que compreende: uma câmara de reação compreendendo meios de conversão que são configurados para oxidar metano; um componente de retenção de metano; meios para fazer com que metano seja liberado do componente de retenção de metano na câmara de reação; um sensor que é adaptado para detectar a presença de metano no gás exterior ao dispositivo de conversão de metano; meios de sopro configurados para conduzir gás do exterior do dispositivo sobre o componente de retenção de metano quando o sensor detectar a presença de metano acima de um limiar predeterminado; e meios de posicionamento para posicionar o dispositivo em um animal.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente de retenção de metano compreende uma câmara contendo um material poroso que é configurado para absorver metano reversivelmente.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o material poroso é provido por uma mineral zeólita.
4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um filtro de dióxido de carbono é provido entre os meios de sopro e o componente de retenção de metano, o filtro de dióxido de carbono sendo configurado para inibir a passagem de dióxido de carbono para o componente de retenção de metano.
5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios para fazer com que metano seja liberado do componente de retenção de metano na câmara de reação compreende um elemento de aquecimento.
6. Dispositivo de conversão de metano, caracterizado pelo fato de que compreende: uma câmara de reação; um sensor que é adaptado para detectar a presença de metano no gás exterior ao dispositivo de conversão de metano; meios de sopro configurados para conduzir gás do exterior do dispositivo para a câmara de reação quando o sensor detectar a presença de metano acima de um limiar predeterminado; meios de conversão que são configurados para oxidar metano; e meios de posicionamento para posicionar o dispositivo em um animal.
7. Dispositivo de conversão de metano de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios de sopro são configurados para conduzir gás para a câmara de reação quando o sensor detectar a presença de metano acima de 100 ppm.
8. Dispositivo de conversão de metano de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a câmara de reação tem um volume menor que 200 mL.
9. Dispositivo de conversão de metano de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios de conversão compreendem um elemento de aquecimento.
10. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento compreendido nos meios de conversão é um fio.
11. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento compreendido nos meios de conversão é um elemento metálico de aquecimento por resistência.
12. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o elemento metálico de aquecimento por resistência compreende principalmente níquel.
13. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o elemento metálico de aquecimento é um fio de nicromo.
14. Dispositivo de conversão de metano de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento compreendido nos meios de conversão é localizado dentro da câmara de reação.
15. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende meios de filtração que são configurados para inibir a entrada de uma ou mais espécies gasosas além de metano na câmara de reação.
16. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende meios de aprisionamento que são configurados para aprisionar metano antes que ele entre na câmara de reação.
17. Dispositivo de conversão de metano de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que os meios de conversão compreendem adicionalmente um catalisador, o catalisador sendo localizado dentro da câmara de reação.
18. Dispositivo de conversão de metano de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o catalisador compreende paládio.
19. Dispositivo de conversão de metano de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios para posicionar o dispositivo em um animal compreendem um anel para focinho.
20. Método para converter metano emitido por um animal em outras espécies químicas, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de prover dispositivo de conversão de metano como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores e posicionar o dispositivo em um animal.
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