BR112020012470A2

BR112020012470A2 - método e sistema para carbonização hidrotérmica de lodo

Info

Publication number: BR112020012470A2
Application number: BR112020012470-2A
Authority: BR
Inventors: Fredrik Lundqvist; Erik Odén; Fredrik Öhman
Original assignee: C-Green Technology Ab
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-11-24
Also published as: US20210087093A1; EP3728526B1; CN111492042A; EP3728526A1; CN111492042B; JP2021507806A; ES2926949T3; JP7209725B2; EP3728526A4; SE541813C2; SE1751622A1; WO2019125274A1

Abstract

É provido um método de carbonização hidrotérmica de um lodo, compreendendo as etapas de: pré-aquecer o lodo para obter um lodo pré-aquecido; misturar o lodo pré-aquecido com uma fração oxidada por via úmida para obter uma mistura de reação; sujeitar a mistura de reação à carbonização hidrotérmica (HTC) em um reator para obter um lodo tratado por HTC; separar uma fração a partir do lodo tratado por HTC; e misturar a fração com um agente oxidante, tal como gás oxigênio, para obter a fração oxidada por via úmida, em que a temperatura da fração antes da oxidação úmida é pelo menos 15°C mais alta que a temperatura do lodo pré-aquecido. Um sistema correspondente também é provido.

Description

MÉTODO E SISTEMA PARA CARBONIZAÇÃO HIDROTÉRMICA DE LODO CAMPO TÉCNICO

[001] A presente divulgação refere-se a um método de carbonização hidrotérmica de lodo, em particular de lodo municipal ou industrial a partir de uma estação de tratamento de águas residuais.

ANTECEDENTES

[002] O lodo é tipicamente o que resta após o tratamento de águas residuais em estações de tratamento de águas residuais municipais ou industriais. As estações de tratamento de águas residuais municipais tratam as águas residuais das cidades, enquanto as estações de tratamento de águas residuais industriais tratam os efluentes de água de diferentes processos industriais, por exemplo, fábricas de papel e celulose, instalações industriais de produção de alimentos etc. A criação de animais também é uma fonte considerável de águas residuais e lodo, por exemplo, suinicultura em larga escala. Modalidades da presente divulgação serão úteis em todas essas áreas.

[003] As tecnologias para tratamento de águas residuais são similares em nível geral, mas incluem soluções específicas dependendo do caráter das correntes de resíduos a serem tratados, projeto básico, requisitos locais e preocupações ambientais. Em estações maiores na Suécia, o processo de tratamento de águas residuais muitas vezes compreende pré-tratamento mecânico seguido de etapas de tratamento primário (sedimentação) e secundário (aeróbio). Em alguns casos, diferentes formas de tratamento terciário também são aplicadas para remover as substâncias problemáticas remanescentes, por exemplo, resíduos de fármacos, substâncias orgânicas tóxicas etc. na água tratada. Em estações menores, um ou mais desses estágios pode, muitas vezes, serem omitidos.

[004] Quase todas as estações de tratamento de águas residuais em uso geram lodo que precisa ser manejado. O lodo é recuperado diretamente da estação após a desidratação (lodo aeróbio) ou primeiro tratado de forma anaeróbia para a produção de biogás, em que parte do lodo é digerido e o restante é recuperado como lodo anaeróbio.

[005] As estações de tratamento de águas residuais em todo o mundo produzem várias centenas de milhões de toneladas métricas de lodo a cada ano e a quantidade está crescendo rapidamente. Na Suécia, o volume total de lodo em toneladas de sólidos secos por ano (tSS/a) foi relatado como sendo 250.000 em 2010 e estima-se que o valor atual seja igual ou maior. O manejo de lodo é, portanto, um enorme desafio para a sociedade, e as soluções atuais estão associadas a um alto custo e frequentemente também a um impacto ambiental negativo.

[006] A partir de 1986, a União Europeia adotou várias diretrizes que regulam o tratamento e o descarte de lodo de águas residuais, abordando diferentes aspectos, tal como o uso de lodo como aterro, a recuperação de fósforo, a incineração de lodo etc. As várias diretrizes estão refletidas na legislação nacional de cada um dos estados membros e, por exemplo, na Suécia, o descarte de lodo em aterros é proibido desde 2005.

[007] Hoje, os principais usos para um lodo de águas residuais são a fertilização na agricultura e floresta/silvicultura, misturando-se no solo das plantas para projetos de construção do solo e a cobertura e restauração de aterros, incineração com recuperação de energia, recuperação de produtos químicos e produção de fertilizantes e, finalmente, aterro, no entanto, desde que o lodo tenha sido submetido a um pré-tratamento específico, tal como compostagem.

[008] A incineração do lodo, com recuperação de energia e tratamento adequado de gases de exaustão e cinzas para destruir produtos químicos nocivos e manejar com segurança metais pesados, continua sendo uma alternativa atraente. A composição exata do lodo, no entanto, depende da composição das águas residuais recebidas e do tipo de estação de tratamento de águas residuais. Lodo com altas concentrações de componentes orgânicos e/ou biológicos é geralmente difícil de desidratar. O teor de água é frequentemente tão alto que o valor efetivo de aquecimento, se incinerado em uma usina, é muito baixo ou até negativo e a adição de combustíveis de apoio, muitas vezes combustível fóssil, pode ser necessária.

[009] A C-Green Technology AB desenvolveu um processo para tratamento de lodo envolvendo uma etapa de carbonização hidrotérmica (HTC). O fósforo pode ser extraído a partir de biocombustível antes da combustão ou a partir das cinzas após a combustão.

SUMÁRIO

[010] A operação de muitos sistemas de carbonização hidrotérmica (HTC) requer um fornecimento de energia externa, por exemplo, na forma de eletricidade ou gás. Os presentes inventores descobriram que a necessidade de fornecimento contínuo de energia externa ao tratamento de lodo por HTC pode ser eliminada ao sujeitar uma fração do lodo tratado por HTC à oxidação úmida e depois recirculando a fração oxidada por via úmida para recuperar o calor liberado pela oxidação. Um benefício da realização de oxidação por via úmida em lodo que já foi submetido ao tratamento HTC é que o tratamento por HTC aumenta a demanda química de oxigênio (DQO) do lodo e um DQO maior significa mais combustível para o processo de oxidação úmida. Adicionalmente, o lodo tratado por HTC tem uma temperatura mais alta que o lodo recebido ou pré-aquecido, e a temperatura mais alta resulta em um processo mais rápido de oxidação úmida, que depende de temperatura. Em temperaturas acima de 120°C, uma temperatura mais alta também aumenta a solubilidade do gás oxigênio no lodo, que facilita adicionalmente a oxidação via úmida (quando o gás oxigênio é o agente de oxidação).

[011] Como um primeiro aspecto da presente divulgação, é, portanto, provido um método de carbonização hidrotérmica de um lodo, compreendendo as etapas de: pré-aquecer do lodo para obter um lodo pré-aquecido; misturar o lodo pré-aquecido com uma fração oxidada por via úmida para obter uma mistura de reação; sujeitar a mistura de reação à carbonização hidrotérmica (HTC) em um reator para obter um lodo tratado por HTC; separar uma fração a partir do lodo tratado por HTC; e misturar a fração com um agente oxidante para obter a fração oxidada por via úmida.

[012] O agente oxidante é preferencialmente gás oxigênio. "Gás oxigênio" refere-se a um gás compreendendo pelo menos 80% de oxigênio em volume, preferencialmente pelo menos 95% de oxigênio em volume. Consequentemente, a “adição de gás oxigênio” na etapa b) não abrange a adição de ar (pois o teor de oxigênio do ar é de apenas 21% em volume). Um benefício do uso de gás oxigênio em vez de ar é que menos gás inerte é adicionado ao reator. Outro benefício é uma reação de oxidação úmida mais eficiente.

[013] Como entendido pelo técnico no assunto, o método é um método contínuo.

[014] O lodo da presente divulgação é preferencialmente um lodo municipal ou industrial a partir de uma estação de tratamento de águas residuais.

[015] O teor de sólidos secos (também conhecido como "Sólidos Totais") do lodo é tipicamente de 1 a 35%, tal como de 2 a 35%, tal como de 3 a 32%. Se o lodo for lodo anaeróbio, o teor de sólidos secos é normalmente de 13 a 32%. Se o lodo for lodo aeróbio, o teor de sólidos secos é tipicamente de 5 a 15%. O teor de cinzas é tipicamente 10 a 75%, tal como 12 a 50%, tal como 30 a 50%, do peso seco do lodo. O maior valor de aquecimento (HHV) do lodo é tipicamente de 3,5 a 21 MJ/kg, tal como 6 a 17 MJ/kg (peso seco).

[016] A oxidação úmida da presente divulgação tipicamente não consome todo o HHV do lodo. Normalmente, consome menos de 50 % do HHV do lodo e, preferencialmente, 5 a 20% , tal como 6 a 15 %, do HHV do lodo. A quantidade de agente de oxidação adicionado no método pode ser consequentemente adaptado.

[017] A presente divulgação facilita a separação do fósforo (P). Consequentemente, o lodo da presente divulgação preferencialmente compreende fósforo, por exemplo, em uma quantidade de 0,5 a 9% do peso seco do lodo, tal como 1 a 9% do peso seco do lodo, tal como 1,5 a 9% de o peso seco do lodo.

[018] Adicionalmente, o lodo tratado é usado como combustível para o processo de oxidação por via úmida. O carvão por HTC final também é tipicamente usado como combustível. Portanto, o lodo da presente divulgação preferencialmente compreende carbono (C), por exemplo, em uma quantidade de 9 a 46% do peso seco do lodo, tal como 20 a 46% do peso seco do lodo.

[019] A oxidação úmida da presente divulgação não requer um reator separado. Em vez disso, é suficiente que a fração seja misturada com o agente de oxidação, por exemplo, usando um misturador de gás oxigênio. Consequentemente, em uma modalidade do primeiro aspecto, nenhum reator separado do reator acima mencionado para o HTC é usado para a reação entre o agente oxidante e a fração. Para alcançar um melhor controle de processo, pode, no entanto, ser benéfico possibilitar que a fração oxidada por via úmida passe através de um reator antes de ser misturada com o lodo pré-aquecido. O tempo de retenção nesse reator pode, por exemplo, ser de 10 a 60 min, tal como 20 a 40 min. O volume de tal reator pode, por exemplo, ser de 10 a 50%, tal como 20 a 40% do volume do reator para o HTC.

[020] Quando o agente oxidante é um gás oxigênio, ele pode ser adicionado em uma quantidade de 60 a 260 kg por tonelada de lodo seco processado pelo método, preferencialmente 100 a 200 kg por tonelada de lodo seco processado pelo método, mais preferencialmente 110 a 150 kg por tonelada de lodo seco processado pelo método.

[021] De acordo a uma modalidade, a fração é uma fração pobre em partículas, o que significa que seu teor de sólidos suspensos totais (TSS) é menor que o teor de TSS do lodo tratado por HTC. Por exemplo, o teor de TSS da fração pobre em partículas pode ser menor que 50 g/L, preferencialmente menor que 30 g/L, mais preferencialmente menor que 20 g/L.

[022] Um benefício de um teor de TSS relativamente baixo na fração é que a combinação do agente de oxidação na fração, tal como gás oxigênio, é aprimorada.

[023] Metais pesados e fósforo tendem a ficar ligados pelas partículas sólidas do lodo e existe um risco de que os processos de oxidação úmida liberem tais substâncias para o líquido. Outro benefício de um teor relativamente baixo de TSS na fração (que é sujeita à oxidação úmida) é, portanto, que tal liberação é minimizada.

[024] O método pode compreender a obtenção de uma segunda fração a partir do lodo tratado por HTC.

[025] A segunda fração pode ser uma fração rica em partículas, o que significa que seu teor de TSS é maior que o teor de TSS da fração que é misturada com o agente oxidante.

[026] O lodo tratado por HTC pode ser separado em fração pobre em partículas e fração rica em partículas em um separador disposto a jusante do reator. O técnico no assunto sabe como realizar tal separação.

[027] Alternativamente, o reator pode ser provido com uma primeira saída para a fração pobre em partículas e uma segunda saída para a fração rica em partículas. Nesse caso, a primeira saída é disposta acima da segunda saída, de tal modo que a sedimentação e/ou fluidização possam ser usadas para a separação. Um reator projetado para permitir a separação baseada em fluidização é descrito abaixo com referência às Figs. 1a e 1b.

[028] A segunda fração pode ser resfriada por meio de evaporação parcial (flash). Tal evaporação parcial provê pelo menos uma fração de vapor que é/são preferencialmente usada/s na etapa de pré-aquecimento. Em uma modalidade, a evaporação parcial provê pelo menos duas, tal como pelo menos três, frações de vapor de diferentes temperaturas que são usadas para aquecimento sequencial de lodo na etapa de pré-aquecimento.

[029] A temperatura do lodo tratado por HTC (isto é, lodo em uma saída do reator) é tipicamente 180 a 250°C e preferencialmente 180 a 230°C. Mais preferencialmente, é de 190 a 225°C.

[030] A etapa de oxidação úmida é realizada pois o pré-aquecimento não é suficiente para que o lodo atinja a temperatura de tratamento por HTC no reator. A temperatura do lodo tratado por HTC é normalmente pelo menos 20°C mais alta (tal como 20 a 65°C mais alta) e preferencialmente pelo menos 30°C mais alta (tal como 30 a 65°C mais alta) do que a temperatura do lodo pré- aquecido que é misturado com a fração oxidada por via úmida.

[031] O tempo médio de retenção no reator é tipicamente 0,25 a 8h e preferencialmente 0,5 a 2h.

[032] Preferencialmente, a vazão volumétrica da fração é 10 a 50% da vazão volumétrica do lodo pré-aquecido.

[033] Para prover combustível suficiente para o processo de oxidação úmida, a demanda química de oxigênio (DQO) da fração é tipicamente de pelo menos 15 g/L, preferencialmente de pelo menos 20 g/L, mais preferencialmente de pelo menos 30 g/L e mais preferencialmente de pelo menos 40 ou 50 g/L.

[034] É geralmente considerado mais prático misturar o lodo pré- aquecido com a fração oxidada por via úmida em uma posição a montante do reator, como em um tubo que leva ao reator, do que no reator.

[035] Em uma modalidade preferida, o lodo pré-aquecido é, portanto, misturado com a fração oxidada por via por via úmida, em uma posição a montante do reator. Exemplos de tal modalidade são mostrados nas Figs. 1a e 2a.

[036] Em uma modalidade alternativa, o lodo pré-aquecido é misturado com a fração oxidada por via úmida no reator. Exemplos de tal modalidade são mostrados nas Figs. 1b e 2b.

[037] Como mencionado acima, um benefício de adicionar o agente oxidante à fração do lodo tratado por HTC em vez do lodo pré-aquecido é que a temperatura da fração é mais alta. A temperatura da fração antes da oxidação úmida (isto é, antes de ser misturada com o agente oxidante) é, por exemplo, pelo menos 15°C mais alta (tal como 15 a 65°C mais alta), preferencialmente pelo menos 20°C mais alta (tal como 20 a 65°C mais alta) e mais preferencialmente pelo menos 25°C mais alta (tal como 25 a 65°C mais alta) do que a temperatura do lodo pré-aquecido.

[038] Modalidades adicionais do primeiro aspecto podem ser derivadas a partir da discussão sobre o segundo aspecto abaixo.

[039] Como um segundo aspecto da presente divulgação, é provido um sistema para carbonização hidrotérmica de um lodo, compreendendo: - uma entrada para receber lodo; - um reator para sujeitar o lodo a uma carbonização hidrotérmica (HTC), de modo que o lodo tratado por HTC seja obtido; - um mecanismo de encaminhamento para encaminhar o lodo a partir da entrada para o reator, tal mecanismo compreende um mecanismo de pré- aquecimento; e - um mecanismo de recirculação para encaminhar uma primeira fração do lodo tratado por HTC para uma posição no mecanismo de encaminhamento entre o mecanismo de pré-aquecimento e o reator ou para o reator, tal mecanismo de recirculação compreende um misturador para misturar a primeira fração com um agente oxidante, como gás oxigênio.

[040] Como entendido pelo técnico no assunto, o mecanismo de recirculação é conectado a uma saída do reator.

[041] A ação do misturador resulta em que a primeira fração do lodo tratado por HTC se torna uma "fração oxidada por via úmida".

[042] Exemplos de um mecanismo de recirculação para encaminhar a fração para uma posição no mecanismo de encaminhamento entre o mecanismo de pré-aquecimento e o reator são mostrados nas Figs. 1a e 2a. De acordo com tais exemplos, a fração oxidada por via úmida é misturada/fundida com o lodo pré-aquecido a montante do reator, mas a jusante do mecanismo de pré- aquecimento.

[043] Decorre da discussão acima que o mecanismo de encaminhamento pode compreender uma conexão do tipo T ou outro dispositivo de mistura disposto a jusante do mecanismo de pré-aquecimento. Nesse caso, o mecanismo de encaminhamento é conectado à conexão do tipo T do dispositivo de mistura.

[044] Exemplos de um mecanismo de recirculação para encaminhar a fração para o reator são mostrados nas Figs. 1b e 2b. De acordo com tais exemplos, a fração oxidada por via úmida é misturada com lodo pré-aquecido no reator.

[045] Encaminhar a fração para uma posição no mecanismo de encaminhamento entre o mecanismo de pré-aquecimento e o reator habilita uma mistura prática e, portanto, é mais preferido do que encaminhar a fração para o reator.

[046] Como entendido pelo técnico no assunto, o sistema é adaptado para um processo contínuo e o reator é um reator contínuo.

[047] O agente oxidante é preferencialmente gás oxigênio e o misturador é preferencialmente um misturador gás oxigênio. Outros tipos de equipamentos oxidantes, tais como reatores de fluxo contra e co-corrente ou torres de absorção também podem ser usados.

[048] O sistema pode adicionalmente compreender: - um mecanismo de evaporação parcial para sujeitar uma segunda fração de lodo tratado por HTC à evaporação parcial para obter uma segunda fração resfriada e pelo menos uma fração de vapor; e - um mecanismo de encaminhamento de vapor para encaminhar pelo menos uma fração de vapor para o mecanismo de pré-aquecimento.

[049] O mecanismo de evaporação parcial pode compreender pelo menos dois, tais como pelo menos três, vasos de evaporação parcial dispostos em série para prover frações de vapor de diferentes temperaturas. adicionalmente, o mecanismo de pré-aquecimento pode compreender pelo menos dois, como pelo menos três, misturadores de vapor dispostos em série.

O mecanismo de encaminhamento de vapor conecta preferencialmente os vasos de evaporação parcial aos misturadores de vapor, de modo que o lodo possa ser pré-aquecido gradualmente.

[050] O(s) misturador(es) de vapor pode ser misturador(es) do tipo venturi.

[051] Em uma modalidade, o reator compreende uma primeira saída para a primeira fração e uma segunda saída para a segunda fração, em que a primeira saída é disposta acima da segunda saída. Tal reator pode compreender: uma entrada de reator disposta no topo do reator, cuja entrada está conectada ao mecanismo de encaminhamento; um primeiro canal que se estende para baixo a partir da entrada do reator para guiar o material a partir da entrada para uma seção de fundo do reator; um segundo canal que se estende para cima a partir da seção de fundo até a primeira saída, que é conectada ao mecanismo de recirculação; e a segunda saída, que pode ser conectada ao mecanismo de evaporação parcial.

[052] Como mencionado acima, a oxidação úmida da presente divulgação não requer um reator separado. Em uma modalidade do segundo aspecto, não há, portanto, um reator disposto em um mecanismo de recirculação a jusante do misturador para misturar a primeira fração com o agente oxidante.

[053] Caso contrário, as modalidades do primeiro aspecto aplicam-se ao segundo aspecto, mutatis mutandis.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[054] As Figs. 1a, 1b, 2a e 2b ilustram diferentes modalidades exemplares de um sistema para tratamento de lodo de acordo com a presente divulgação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[055] Uma primeira modalidade exemplar de um sistema 100 de acordo com a presente divulgação é esquematicamente ilustrada na Fig. 1a. Para o processo no sistema, um lodo é recebido (A) a partir de uma fonte, que pode ser uma estação de tratamento de águas residuais municipal, um processo industrial ou uma instalação na agricultura ou na criação de animais. O lodo pode ser recebido diretamente a partir da estação ou a partir de um tanque de armazenamento que faz parte do sistema. O lodo tipicamente tem uma temperatura inicial de cerca de 30°C e um teor de matéria seca de cerca de 30%. Após o aquecimento inicial opcional (não mostrado), por exemplo, por uma corrente de líquido a partir do mesmo processo/sistema, o lodo é pré-aquecido em um mecanismo de pré-aquecimento 101. O pré-aquecimento é preferencialmente realizado por adição gradual de vapor, por exemplo, em um primeiro 102, um segundo 103 e um terceiro misturador de vapor 104 dispostos em série. A jusante de cada misturador de vapor 102, 103, 104, uma bomba 102p, 103p, 104p está disposta. A última bomba eleva a pressão até a pressão de reação por HTC discutida abaixo. Após o mecanismo de pré-aquecimento 101, é obtido um lodo pré-aquecido tendo uma temperatura de cerca de 175°C. Em uma conexão 105 de tipo T (ou um dispositivo mais avançado para misturar dois fluxos), o lodo pré-aquecido é fundida com uma fração oxidada por via úmida para formar uma mistura de reação, que é alimentada para um reator vertical 106, preferencialmente através de uma entrada 107 disposta no fundo do reator

106. No reator 106, a mistura de reação é submetida à carbonização hidrotérmica (HTC). A temperatura do lodo pode variar entre diferentes posições no reator 106 devido a reações exotérmicas (por exemplo, as reações por HTC e a oxidação úmida discutida abaixo) e perdas de calor. Um lodo tratado por HTC é retirado do reator 106, preferencialmente através de uma saída 108 disposta em uma seção de topo do reator 106. A temperatura do lodo tratado termicamente é 200 a 215°C quando é retirado do reator 106.

[056] Uma fração é separada 109 a partir do lodo tratado por HTC. A pressão da fração é aumentada ligeiramente por uma bomba 110. O gás oxigênio é então adicionado à fração em um misturador de gás oxigênio 111, de modo que a "fração oxidada por via úmida" seja obtida. O misturador de gás oxigênio está conectado a um tanque de oxigênio (não mostrado). A quantidade de gás oxigênio pode ser de cerca de 130 kg por tonelada de lodo seco processado no sistema. A oxidação úmida não é instantânea. Mas sim, estará em curso quando a fração fluir a jusante do misturador de gás oxigênio 111 e possivelmente também após a fusão com o lodo pré-aquecido.

[057] A vazão volumétrica da fração é 10 a 50% da vazão volumétrica do lodo pré-aquecido.

[058] O lodo tratado por HTC restante, forma uma segunda fração que, em vez de ser recirculada, é sujeita à evaporação parcial em um mecanismo de evaporação parcial 112, que produz pelo menos uma fração de vapor que é usada para pré-aquecer o lodo no mecanismo de pré-aquecimento 101. Preferencialmente, o mecanismo de evaporação parcial 112 compreende vários vasos de evaporação parcial dispostos em série para produzir frações de vapor de diferentes temperaturas. Por exemplo, o mecanismo de evaporação parcial 112 pode compreender: um primeiro vaso de evaporação parcial 113 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente alta que é encaminhada para o terceiro misturador de vapor 104 do mecanismo de pré-aquecimento 101; um segundo vaso de evaporação parcial 114 que produz uma fração de vapor de temperatura média que é encaminhada para o segundo misturador de vapor 103 do mecanismo de pré-aquecimento 101; e um terceiro vaso de evaporação parcial 115 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente baixa que é encaminhada para o primeiro misturador de vapor 102 do mecanismo de pré-aquecimento 101.

[059] A lama resfriada obtida a jusante do mecanismo de evaporação parcial 112 é desidratada (não mostrada), de modo que pelo menos uma corrente líquida (que pode ser usada para aquecimento inicial e/ou diluição do lodo recebido) e uma fração espessa compreendendo carvão por HTC sejam obtidas.

[060] O sistema 100 pode compreender um aquecedor 116 usando calor externo, tal como um aquecedor elétrico, para iniciar o processo a frio. O aquecedor 116 é preferencialmente disposto a jusante do ponto de fusão 105, mas a montante do reator 106.

[061] Uma variante da primeira modalidade exemplar é ilustrada na Fig. 1b. A diferença entre a Fig. 1b e a Fig. 1a é que a fração oxidada por via úmida não é fundida com o lodo pré-aquecido em uma posição a montante do reator

106. Na Fig 1b, a fração oxidada por via úmida e o lodo pré-aquecido são adicionados separadamente a uma porção a montante do reator 106 e, assim, misturados no reator 106 para formar a mistura de reação.

[062] Uma segunda modalidade exemplar de um sistema 200 de acordo com a presente divulgação é esquematicamente ilustrada na Fig. 2a. Para o processo no sistema 200, um lodo é recebido (A) a partir de uma fonte, que pode ser uma estação de tratamento de águas residuais municipal, um processo industrial ou uma instalação na agricultura ou na criação de animais. O lodo pode ser recebido diretamente a partir da estação ou a partir de um tanque de armazenamento que faz parte do sistema. O lodo tipicamente tem uma temperatura inicial de cerca de 30°C e um teor de matéria seca de cerca de 30%. Após o aquecimento inicial opcional (não mostrado), por exemplo, por uma corrente de líquido a partir do mesmo processo/sistema, o lodo é pré-aquecido em um mecanismo de pré-aquecimento 201. O pré-aquecimento é preferencialmente realizado por adições graduais de vapor, por exemplo, em um primeiro 202, um segundo 203 e um terceiro 204 misturador de vapor dispostos em série. A jusante de cada misturador de vapor 202, 203, 204, uma bomba 202p, 203p, 204p está disposta. A última bomba eleva a pressão até a pressão da reação por HTC discutida abaixo. Após o mecanismo de pré-aquecimento 201, é obtido um lodo pré-aquecido tendo uma temperatura de cerca de 175°C. Em uma conexão do tipo T 205 (ou um dispositivo mais avançado para misturar dois fluxos), o lodo pré-aquecido é fundido com uma fração oxidada por via úmida para formar uma mistura de reação, que é alimentada a um reator vertical 206, no qual a mistura de reação é sujeita a carbonização hidrotérmica (HTC) e o lodo tratado por HTC é separado em uma fração pobre em partículas e uma fração rica em partículas. O reator 206 compreende: uma entrada de reator 207 disposta no topo do reator 206; um primeiro canal 206c1 que se estende para baixo a partir da entrada do reator 207 para guiar a mistura de reação da entrada 207 para uma seção inferior do reator 206; um segundo canal 206c2 que se estende para cima a partir da seção de fundo para uma saída de recirculação 208 para retirar a fração pobre em partículas; e uma saída menor 209 para retirar a fração rica em partículas. O projeto do reator 206 habilita a fluidização que facilita a separação na fração pobre em partículas e na fração rica em partículas (ver pedido de patente SE 1750284 A1).

[063] Preferencialmente, parte da corrente de partículas finas é recirculada para uma entrada de fundo 207b do reator 206. Um fluxo através de uma entrada de fundo ajuda na fluidização.

[064] O gás oxigênio é adicionado à outra parte da fração pobre em partículas ou à parte inteira, caso a recirculação para a entrada de fundo seja omitida. Pela adição de oxigênio, a "fração oxidada por via úmida" é obtida. A adição é feita por meio de um misturador de gás oxigênio 211, que está conectado a um tanque de oxigênio (não mostrado). A quantidade de gás oxigênio pode ser de cerca de 130 kg por tonelada de lodo seco processado no sistema. A oxidação úmida não é instantânea. Mas sim, estará em curso quando a fração fluir a jusante do misturador de gás oxigênio 211 e possivelmente também após a fusão com o lodo pré-aquecido. Antes do misturador de gás oxigênio 211, a pressão da fração pobre em partículas é aumentada ligeiramente por uma bomba 210.

[065] A vazão volumétrica da fração oxidada por via úmida é 10 a 50% da vazão volumétrica do lodo pré-aquecido.

[066] A temperatura varia ligeiramente entre diferentes posições no reator 206 devido a reações exotérmicas (por exemplo, as reações de HTC e a oxidação úmida) e perdas de calor. A fração pobre em partículas e a fração rica em partículas têm uma temperatura dentro da faixa de 200 a 215°C quando são retiradas do reator 206.

[067] A fração rica em partículas é sujeita à evaporação parcial em um mecanismo de evaporação parcial 212, que produz pelo menos uma fração de vapor que é usada para pré-aquecer o lodo no mecanismo de pré-aquecimento

201. Preferencialmente, o mecanismo de evaporação parcial 212 compreende vários vasos de evaporação parcial dispostos em série para produzir frações de vapor de diferentes temperaturas. Por exemplo, o mecanismo de evaporação parcial 212 pode compreender: um primeiro vaso de evaporação parcial 213 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente alta que é encaminhada para o terceiro misturador de vapor 204 do mecanismo de pré- aquecimento 201; um segundo vaso de evaporação parcial 214 que produz uma fração de vapor de temperatura média que é encaminhada para o segundo misturador de vapor 203 do mecanismo de pré-aquecimento 201; e um terceiro vaso de evaporação parcial 215 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente baixa que é encaminhada para o primeiro misturador de vapor 202 do mecanismo de pré-aquecimento 201.

[068] A lama resfriada obtida a jusante do mecanismo de evaporação parcial 212 é desidratada (não mostrada), de modo que pelo menos uma corrente líquida (que pode ser usada para aquecimento inicial e/ou diluição do lodo recebido) e uma fração espessa compreendendo carvão por HTC sejam obtidas.

[069] O sistema 200 pode compreender um aquecedor 216 usando calor externo, tal como um aquecedor elétrico, para iniciar o processo a frio. O aquecedor 216 é preferencialmente disposto a jusante do ponto de fusão 205, mas a montante do reator 206.

[070] Uma variante da segunda modalidade exemplar é ilustrada na Fig. 2b. A diferença entre a Fig. 2b e a Fig. 2a é que a fração oxidada por via úmida não é fundida com o lodo pré-aquecido em uma posição a montante do reator

206. Na Fig 1b, a fração oxidada por via úmida e o lodo pré-aquecido são adicionados separadamente a uma porção a montante do reator 206 e, assim, misturados no reator 206 para formar uma mistura de reação.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de carbonização hidrotérmica de um lodo, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: pré-aquecimento do lodo para obter um lodo pré-aquecido; misturar o lodo pré-aquecido com uma fração oxidada por via úmida para obter uma mistura de reação; sujeitar a mistura de reação à carbonização hidrotérmica (HTC) em um reator para obter um lodo tratado por HTC; separar uma fração a partir do lodo tratado por HTC; e misturar a fração com um agente oxidante, tal como gás oxigênio, para obter a fração oxidada por via úmida, em que a temperatura da fração antes da oxidação úmida é pelo menos 15°C mais alta que a temperatura do lodo pré-aquecido.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o teor de sólidos suspensos totais (TSS) da fração é menor que o teor de TSS do lodo tratado por HTC.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o teor de TSS da fração é menor que 50 g/L, preferencialmente menor que 30 g/L, mais preferencialmente menor que 20 g/L, e mais preferencialmente em um intervalo de 0 a 10 g/L.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente obter uma segunda fração do lodo tratado por HTC e sujeitar a segunda fração à evaporação parcial para obter pelo menos uma fração de vapor e uma fração resfriada, em que pelo menos uma fração de vapor é usada na etapa de pré-aquecimento.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o teor de sólidos suspensos totais (TSS) da segunda fração é maior que o teor de TSS da fração que é misturada com o agente oxidante.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o lodo é um lodo municipal ou industrial a partir de uma estação de tratamento de águas residuais.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lodo tratado por HTC é de 180 a 250°C, preferencialmente 180 a 230°C e mais preferencialmente 190 a 225°C.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lodo tratado por HTC é pelo menos 20°C mais alta, de preferência pelo menos 30°C mais alta do que a temperatura do lodo pré-aquecido que é misturado com a fração oxidada por via úmida.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o tempo médio de retenção no reator é de 0,25 a 8h, preferencialmente de 0,5 a 2h.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a vazão volumétrica da fração é 10 a 50% da vazão volumétrica do lodo pré-aquecido.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a demanda química de oxigênio (DQO) da fração é de pelo menos 15 g/L, preferencialmente pelo menos 20 g/L, mais preferencialmente pelo menos 30 g/L, mais preferencialmente pelo menos 40 ou pelo menos 50 g/L.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o lodo pré-aquecido é misturado com a fração oxidada por via úmida no reator.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o lodo pré-aquecido é misturado com a fração oxidada por via úmida, em uma posição a montante do reator.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a temperatura da fração antes da oxidação úmida é pelo menos 20°C mais alta, preferencialmente pelo menos 25°C mais alta do que a temperatura do lodo pré-aquecido.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a quantidade de agente oxidante é tal que as reações de oxidação úmida reduzem o maior valor de aquecimento (HHV) do lodo em 5 a 49%, preferencialmente 5 a 20%, mais preferencialmente 6 a 15%.

16. Sistema para carbonização hidrotérmica de um lodo, caracterizado pelo fato de que compreende: - uma entrada para receber lodo; - um reator para sujeitar o lodo a uma carbonização hidrotérmica (HTC), de modo que seja obtido lodo tratado por HTC; - um mecanismo de encaminhamento para encaminhar o lodo a partir da entrada para o reator, cujo mecanismo compreende um mecanismo de pré- aquecimento; e - um mecanismo de recirculação para encaminhar uma primeira fração de lodo tratado por HTC para uma posição no primeiro mecanismo de encaminhamento entre o mecanismo de pré-aquecimento e o reator ou para o reator, tal mecanismo de recirculação compreendendo um misturador para misturar a primeira fração com um agente oxidante, tal como gás oxigênio.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o agente oxidante é gás oxigênio e o misturador é um misturador de gás oxigênio.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: - um mecanismo de evaporação parcial para sujeitar uma segunda fração de lodo tratado por HTC à evaporação parcial para obter uma segunda fração resfriada e pelo menos uma fração de vapor; e - um mecanismo de encaminhamento de vapor para encaminhar a pelo menos uma fração de vapor para o mecanismo de pré-aquecimento.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o reator compreende uma primeira saída para a primeira fração e uma segunda saída para a segunda fração, em que a primeira saída é disposta acima da segunda saída.