BR112021000789B1

BR112021000789B1 - Injeção de biomassa em reator de pirólise catalítica de leito fluido

Info

Publication number: BR112021000789B1
Application number: BR112021000789-0A
Authority: BR
Inventors: Benjamin Thomas Amblard; Raghava DASARATHY; Frédéric Jean-Michel Feugnet; Thierry Albert Pierre Gauthier; Charles Mitchel Sorensen Jr.; Sina TEBIANIAN; Eugene Schmelzer
Original assignee: Anellotech, Inc
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2023-01-17
Also published as: EP3824043B1; JP7350023B2; US11479725B2; KR20210031911A; EP3824043A1; JP2021532206A; MX2021000082A; BR112021000789A2; CN112469802B; CN112469802A; WO2020018517A1; BR112021000789A8; US20200017770A1; ES2946936T3; CA3102616A1; AU2019306525A1

Abstract

INJEÇÃO DE BIOMASSA EM REATOR DE PIRÓLISE CATALÍTICA DE LEITO FLUIDO. Um processo aperfeiçoado é provido para pirólise catalítica de biomassa, compreendendo injetar pneumaticamente uma alimentação de biomassa através de uma linha de injeção pneumática em um meio de calor fluidizado, por exemplo, catalisador quente, com um gás carreador a uma velocidade de 5 a 40 m/s em pelo menos uma zona de mistura em comunicação com um reator de pirólise no qual ocorre pirólise catalítica, e manter uma razão de taxa de fluxo de mistura de catalisador/biomassa (C/B) de 4 a 40 a jusante do ponto de injeção de catalisador através de uma linha de injeção de catalisador na pelo menos uma zona de mistura

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se a um processo para a pirólise catalítica de biomassa e, em particular, a um processo para alimentar biomassa para dentro de um reator de pirólise catalítica.

Antecedentes da Invenção

[0002] A manipulação e alimentação de biomassa em reatores termoquímicos para processos tais como pirólise, gaseificação e combustão é um critério de design crucial para assegurar a operação segura. Em processos de pirólise catalítica de biomassa (CP), por exemplo, condições operacionais diferentes podem causar o bloqueio do dispositivo de alimentação resultando em falha em prover fluxo uniforme e contínuo da alimentação. Portanto, é desejável um método para alimentação contínua do insumo de biomassa no reator que assegure sua distribuição uniforme.

[0003] Apesar dos esforços de pesquisadores e engenheiros, o desenvolvimento de sistemas de alimentação eficazes inovadores, flexíveis no tratamento de materiais de biomassa de formatos, tamanhos e densidades diferentes, permanece uma área necessitando de pesquisa e desenvolvimento.

[0004] São conhecidos vários layouts de injeção de alimentação usados em processos termoquímicos tratando materiais sólidos tal como biomassa, onde o calor para a reação é provido por um meio de transferência de calor sólido (por exemplo, catalisadores, sólidos inertes). Kulprathinpanja et al (US 2015/0240167A1) descreve um processo de craqueamento catalítico de fluido verde onde além de um insumo de hidrocarboneto, um trado separado é usado para introduzir as partículas de biomassa no tubo ascendente e misturar as mesmas com o catalisador quente. A zona de mistura pode ser obtida diretamente no tubo ascendente ou em uma câmara com um diâmetro maior conectada à seção inferior do tubo ascendente. Boon et al (US 2012/0271074A1) descreve um processo similar para a produção de biocombustível ou bioquímicos usando qualquer sistema de alimentação de biomassa conhecido com preferência para alimentadores de rosca. Mills (US 2010/0162625) descreve um sistema de pirólise rápida de biomassa utilizando um tubo ascendente como um reator e um combustor de carvão para recuperação de calor. O sistema de alimentação de biomassa sugerido é um alimentador de rosca.

[0005] Nos exemplos onde biomassa é fornecida sob pressão, foi proposto acoplar tremonhas de bloqueio ou roscas afiladas com um alimentador de rosca. Tal sistema de alimentação de biomassa foi descrito por Bartek (US 2011/0174597A1) onde uma combinação de tremonha de bloqueio, alimentador vibratório e alimentador de rosca é usada para injetar a biomassa em um reator em alta pressão. Smith (US 2014/0044602) descreve um sistema de alimentação de biomassa incluindo o auxílio de gás, onde as partículas de biomassa fluindo a partir de uma tremonha de bloqueio/transportador mecânico são misturadas com gás pressurizado para facilitar o transporte para dentro do reator. Nenhuma descrição detalhada da zona de mistura a jusante em termos dos parâmetros de introdução ou fluxo de gás requeridos é provida. Além disso, permitem injeção direta da biomassa no reator, bem como pré-mistura com catalisador na linha de alimentação antes da injeção para dentro do reator. Bartek et al (US 2012/0090977) descreve um reator para craqueamento fluidizado de material de biomassa particulado sólido. O reator consiste em um tubo ascendente equipado com duas zonas de mistura. A primeira zona de mistura é para misturar as partículas de biomassa com gás de elevação e a segunda zona de mistura é para introduzir meio de calor no tubo ascendente. Sugerem que injetar o meio de calor (por exemplo, partículas de catalisador) em uma biomassa já fluidizada evitaria pré- aquecimento de biomassa na linha de injeção. Sugerem uma velocidade de gás de elevação entre 1,5 e 11 m/s na primeira zona de mistura e uma injeção de biomassa principalmente por dispositivos mecânicos ou gravitacionais ou por uma combinação de um alimentador de leito fluidizado e uma válvula de controle. Para a injeção de meio de calor na segunda zona de mistura, sugerem que qualquer meio conhecido por um técnico no assunto em FCC pode ser usado dando preferência ao meio de gravidade. Palmas et al (US 2013/0327629A1) descreve um processo de manipulação de carvão em um sistema de pirólise. Uma das configurações descritas é um tubo ascendente onde primeiramente as partículas de carvão segregadas se misturam com parte do meio de calor drenado (sólidos do combustor), iniciando a combustão que é adicionalmente concluída quando a mistura sólida é transportada para um combustor de leito fluidizado usando um fluxo de gás contendo oxigênio tal como o gás de elevação. Os dois sólidos (meio de transferência de calor e carvão) são alimentados para dentro do tubo ascendente usando um tubo vertical equipado com uma válvula.

[0006] Mazanec et al (US 2014/0206913A1) descrevem um sistema de alimentação para introduzir biomassa em um reator de pirólise, tal como um reator de leito fluidizado de pirólise catalítica rápida, que emprega um fluxo de jato de gás ou vapor para injetar as partículas de biomassa diretamente no leito fluidizado. A biomassa é mantida fria, pode ser medida à montante de um jato de gás, e pode ser injetada bem dentro do leito fluidizado.

[0007] As publicações acima mencionadas descrevem a alimentação de biomassa em um reator usando dispositivos mecânicos ou gravitacionais convencionais, tais como alimentadores de rosca, tremonhas de bloqueio, etc. e mesmo onde biomassa é injetada sob pressão não há a indicação de que tal injeção seja conduzida em uma velocidade muito maior que a partir, por exemplo, da alimentação por gravidade. Tais técnicas não fornecem uma mistura ótima, nem reduzem prontamente ou evitam a obstrução e a ligação na linha de injeção.

Sumário da Invenção

[0008] A presente invenção fornece um processo para pirólise catalítica de biomassa, o processo compreendendo injetar pneumaticamente uma alimentação de biomassa através de uma linha de injeção pneumática em um meio de calor fluidizado, como, por exemplo, catalisador quente, com um gás carreador em uma velocidade de 5 a 40 m/s em pelo menos uma zona de mistura, tal como, por exemplo, 1 a 4 tubos de elevação, em comunicação com um reator de pirólise, tal como um reator de leito fluidizado, no qual a pirólise catalítica ocorre, e mantendo uma razão de taxa de fluxo de catalisador/biomassa (C/B) de 4 a 40 a jusante a partir do ponto de injeção de catalisador através de uma linha de injeção de catalisador na pelo menos uma zona de mistura. A linha de injeção de biomassa na pelo menos uma zona de mistura terá uma orientação horizontal, ascendente ou descendente com um ângulo de desvio de 0 a 60 graus, tal como, por exemplo, 45 graus, em relação à zona de mistura.

[0009] Uma modalidade da invenção compreende injetar pneumaticamente a alimentação de biomassa através de duas linhas de injeção de biomassa situadas em lados opostos da pelo menos uma zona de mistura, com 90° de deslocamento com relação a uma entrada de meio de calor, por exemplo, catalisador quente. Outra modalidade da invenção é onde a zona de mistura é um tubo de elevação conectado ao fundo de um reator de leito fluidizado, o tubo de elevação tendo um dispositivo de terminação montado no topo do tubo de elevação para diminuir a canalização e aumentar uma distribuição uniforme. Outra modalidade da invenção é onde existe um ou uma pluralidade de 2 a 8 pontos nos quais gás de fluidização adicional é injetado na pelo menos uma zona de mistura, por exemplo, a montante da linha de injeção pneumática de biomassa.

Breve Descrição dos Desenhos

[00010] A figura 1 apresenta um diagrama esquemático de um processo de acordo com uma modalidade da invenção.

[00011] A figura 2 reporta uma simulação dos resultados obtidos quando uma única linha de injeção de biomassa é usada no processo mostrado na figura 1.

[00012] A figura 3 apresenta uma ilustração de temperatura sólida média (K) na linha de injeção de biomassa da figura 2.

Descrição Detalhada da Invenção

[00013] Na presente invenção, a biomassa é injetada em uma zona de mistura, por exemplo, um tubo de elevação, em uma velocidade muito mais alta que anteriormente feita. Em particular, a biomassa não é meramente combinada com um gás carreador, porém é pneumaticamente injetada em alta velocidade em catalisador quente, que já está fluidizado. O sistema de injeção dessa invenção trata do problema de obstrução e mistura ruim fornecendo parâmetros de operação detalhados e, por conseguinte, empregando tal injeção pneumática da biomassa no fluxo de catalisador. Para um processo de pirólise catalítica onde o reator é um leito fluidizado, a presente invenção trata da importância de parâmetros de processo ao misturar o catalisador quente com a biomassa em uma zona de mistura que injeta a alimentação no fundo do reator principal em uma posição central. Essa configuração resulta em uma taxa de aquecimento mais rápida dada pela temperatura mais alta do catalisador fluindo a partir de um regenerador de catalisador em comparação com o catalisador presente no reator. A distribuição uniforme dos reagentes é assegurada pela injeção central no fundo do reator de leito fluidizado, evitando heterogeneidade de temperatura resultando de alta concentração da biomassa quando diretamente introduzida no reator de leito fluidizado através da injeção lateral. A mistura de partículas de biomassa com o meio de calor em uma zona de mistura, por exemplo, um tubo de elevação, ao invés de diretamente no reator de leito fluidizado, é mais eficiente e mais fácil de se obter devido ao diâmetro significativamente menor da zona de mistura em comparação com o reator. Em geral, o diâmetro do reator de leito fluidizado é pelo menos duas vezes o diâmetro da zona de mistura.

[00014] Desse modo, a invenção fornece um sistema de alimentação de biomassa comercialmente simples e seguro para processos tais como pirólise catalítica onde o meio de transferência de calor consiste em sólidos. O sistema de alimentação compreende uma zona de mistura, por exemplo, um tubo de elevação, com linhas de injeção diferentes conectadas a sua parede (vide a figura 1) que serve como uma zona de mistura para fornecer sólidos e gás para um reator de leito fluidizado. O catalisador quente flui a partir de um ou mais tubos verticais conectados a ou perto do fundo do tubo de elevação onde um distribuidor de gás mantém os sólidos fluidizados. A biomassa é injetada pneumaticamente através de uma ou mais linhas localizadas a jusante da linha de retorno do catalisador, de modo a obter uma velocidade de introdução especificada da biomassa. Essa velocidade de introdução é adaptada dependendo da faixa de razão da taxa de fluxo de mistura de biomassa/catalisador para obter condições ótimas de mistura. Além de um fornecimento contínuo da biomassa, o gás carreador serve para injetar a biomassa com uma velocidade adequada para penetrar na corrente de fluxo de catalisador até uma profundidade que é maior que aquela anteriormente realizada com técnicas do estado da técnica. Uma boa penetração da biomassa permite a mistura com o meio quente, por exemplo, o catalisador, que provê o calor requerido para a pirólise. A invenção permite penetração no tubo de elevação em um valor de D/3 a D, onde D é o diâmetro do tubo de elevação.

[00015] O gás gerado a partir da biomassa ao entrar em contato com o meio de calor é o fluido principal para elevar a mistura de catalisador/biomassa e transportar a mistura para dentro do reator onde as reações catalíticas continuam subsequentes à injeção de alimentação. Elevação de gás adicional pode ser acrescentada ao longo da zona de mistura, por exemplo, um tubo de elevação, através de múltiplos pontos de injeção, como, por exemplo, de 2 a 8 pontos de injeção, ou o diâmetro do tubo de elevação pode variar para ajustar a velocidade de gás superficial no mesmo. Parte do produto da reação pode ser usada como o gás carreador para a injeção de biomassa e elevação de gás adicional ao longo do tubo de elevação também. Parte do produto também pode ser usada para obter a fluidização do catalisador no fundo da zona de mistura e reator principal, tal como por meio de um distribuidor de gás. A penetração e mistura de biomassa obtidas pelo presente processo é um aperfeiçoamento significativo em relação à operação contínua anterior. A presente invenção evita qualquer pré- aquecimento inadvertido da biomassa antes de entrar em contato com o meio de calor, que poderia resultar em produção de coque na linha de injeção pneumática causando aglomeração de sólido e obstrução. O sistema da invenção assegura um tempo de residência de sólido extremamente baixo no ponto de união sensível da linha de injeção pneumática, isto é, o tubo injetor de biomassa e a zona de mistura quente, resultando em pré-aquecimento desprezível da biomassa.

[00016] A zona de mistura, por exemplo, tubo de elevação, de um certo comprimento (dependendo do perfil de equilíbrio de pressão) é conectada ao fundo do reator de leito fluidizado. Dada a alta velocidade dos sólidos e gás vindo do tubo de elevação, poderia haver um desvio no reator evitando que a alimentação seja distribuída uniformemente no sistema. A velocidade alta de gás também pode levar a espirros ou esguichos de sólido na zona de desengate do reator que gera problemas de operação (sobrecarga de ciclone, atrito de catalisador, erosão de material etc.). Um dispositivo de terminação é montado, de preferência, no topo do tubo de elevação e dentro do reator para evitar qualquer canalização possível. Dispositivos de terminação eficazes para essa finalidade incluem, por exemplo, um Cogumelo montado em uma Gaiola como descrito na publicação de patente FR no. 3006607-A1.

[00017] Como usado na presente invenção, o termo “pirólise” tem seu significado convencional no estado da técnica e se refere à transformação de um composto, por exemplo, um material hidrocarbonáceo sólido, em uma ou mais outras substâncias, por exemplo, compostos orgânicos voláteis, gases e coque, por calor, de preferência sem a adição de, ou na ausência de, oxigênio molecular, isto é, O2. De preferência, a fração de volume de oxigênio presente em uma câmara de reação de pirólise é de 0,5% ou menos. A pirólise pode ocorrer com ou sem o uso de um catalisador. “Pirólise catalítica” se refere à pirólise realizada na presença de um catalisador, e pode envolver etapas conforme descritas em mais detalhes abaixo. A pirólise catalítica rápida que envolve a conversão de biomassa em um reator de leito fluido catalítico para produzir uma mistura de aromáticos, olefinas e uma variedade de outros materiais é um processo de pirólise particularmente benéfico. Os exemplos de processos de pirólise catalítica são delineados, por exemplo, em Huber, G.W. et al, “Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering,” Chem. Rev. 106, (2006), pág. 4044-4098, incorporado aqui para referência.

[00018] Como usado na presente invenção, o termo “biomassa” tem seu significado convencional no estado da técnica e é usado para se referir a qualquer fonte orgânica de energia ou produtos químicos que seja renovável. Seus componentes principais podem ser: (1) árvores (madeira) e toda outra vegetação; (2) produtos agrícolas e refugos (milho, frutas, ensilagem de lixo etc.); (3) algas e outras plantas marinhas; (4) refugos metabólicos (esterco, esgoto) e (5) refugo urbano celulósico. Os exemplos de materiais de biomassa são descritos, por exemplo, em Huber, G.W. Et al. “Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering,” Chem. Rev. 106, (2006), pág. 4044-4098. As partículas de biomassa podem ter um tamanho médio de partícula que varia de 20 μm a 20 mm.

[00019] A biomassa é convencionalmente definida como o material biológico vivo ou recentemente morto que pode ser convertido para uso como combustível ou para produção industrial. O critério como biomassa é que o material deva estar participando recentemente no ciclo de carbono de modo que a liberação de carbono no processo de combustão resulte em nenhum aumento líquido mediado em relação a um curto período de tempo (por esse motivo, combustíveis fósseis como turfa, lignita e carvão não são considerados biomassa por essa definição, pois contêm carbono que não participou no ciclo de carbono por um longo tempo de modo que sua combustão resulta em um aumento líquido em dióxido de carbono atmosférico). Mais comumente, biomassa se refere à matéria de planta cultivada para uso como biocombustível, porém inclui também matéria de animal ou planta usada para produção de fibras, produtos químicos ou calor. A biomassa também pode incluir refugos ou subprodutos biodegradáveis que podem ser queimados como combustível ou convertidos em produtos químicos, incluindo resíduos municipais, refugo verde (o refugo biodegradável compreendido de refugo de parques ou jardins, tais como grama ou cortes de flores e aparas de cercas vivas), subprodutos de agricultura incluindo estercos de animais, refugos de processamento de alimentos, lama de esgoto e lixívia negra a partir de polpa de madeira ou algas. A biomassa exclui matéria orgânica que foi transformada por processos geológicos em substâncias tais como carvão, xisto betuminoso ou petróleo. A biomassa é amplamente e tipicamente cultivada a partir de plantas, incluindo miscantos, eufórbia, girassol, switchgrass, cânhamo, milho, álamo, salgueiro, cana de açúcar, e dendê (óleo de palma) com as raízes, caules, folhas, cascas de sementes e frutas tudo sendo potencialmente útil. O processamento da matéria prima para introdução na unidade de processamento pode variar de acordo com as necessidades da unidade e a forma da biomassa. A biomassa pode ser distinguida a partir de carbono derivado de fóssil pela presença de 14C em quantidades significativamente acima daquelas encontradas em combustíveis fósseis.

[00020] A composição de catalisador particularmente vantajosa no reator de leito fluidizado no qual pelo menos uma zona de mistura alimenta, compreende uma peneira molecular cristalina caracterizada por um SAR maior que 12 e um CI de 1 a 12. Exemplos não limitantes dessas peneiras moleculares cristalinas são aqueles tendo a estrutura de ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-48, ZSM- 50 ou combinações dos mesmos. Como um exemplo, a composição de catalisador compreende uma peneira molecular cristalina caracterizada por um SAR a partir de maior que 12 a 240 e um CI de 5 a 10, tal como, por exemplo, peneiras moleculares tendo a estrutura de ZSM-5, ZSM-11, ZSM-22, ZSM-23 ou combinações das mesmas. O método pelo qual o CI é determinado é descrito mais completamente na patente US no. 4,029,716, incorporada para referência para detalhes do método.

[00021] Para a composição de catalisador, a peneira molecular adequada pode ser empregada em combinação com um suporte ou material aglutinante tal como, por exemplo, um suporte de óxido inorgânico poroso ou um aglutinante de argila. Exemplos não limitantes de tais materiais aglutinantes incluem alumina, zircônia, sílica, magnésia, tória, titânia, bória e combinações das mesmas, em geral na forma de géis de óxido inorgânico seco e precipitados gelatinosos. Materiais de argila adequados incluem, como exemplo, bentonita, kieselguhr e combinações dos mesmos. A proporção relativa de peneira molecular cristalina adequada da composição de catalisador total pode variar amplamente com o teor de peneira molecular variando de 30 a 90 por cento em peso e mais comumente na faixa de 40 a 70 por cento em peso da composição. A composição de catalisador pode estar na forma de microesferas fluidizáveis.

[00022] A peneira molecular para uso na presente invenção ou a composição de catalisador compreendendo a mesma pode ser termicamente tratada em temperaturas altas. Esse tratamento térmico é realizado em geral por aquecimento a uma temperatura de pelo menos 370°C por pelo menos 1 minuto e em geral não mais que 20 horas (tipicamente em uma atmosfera contendo oxigênio, de preferência ar). Embora a pressão subatmosférica possa ser empregada para o tratamento térmico, a pressão atmosférica é desejável por motivos de conveniência. O tratamento térmico pode ser realizado a uma temperatura de até aproximadamente 925°C. O produto termicamente tratado é particularmente útil no presente processo.

[00023] As partículas de catalisador, tais como microesferas fluidizáveis, compreendendo a composição de catalisador particularmente vantajosa no reator de leito fluidizado no qual as pelo menos alimentações de uma zona de mistura podem ser descritas usando o critério desenvolvido por Geldart (Powder Technol. 7, 285-292, 1973, incorporado aqui por referência). Montagens de partículas são descritas por seu diâmetro médio e densidade de partícula nas classificações de Geldart. As classificações de Geldart “A” e “B” são mais úteis no leito fluidizado para pirólise de biomassa. Partículas maiores e mais densas, tais como grãos de arroz, areia seca e sal de cozinha (tamanho médio maior que 0,150 mm) são Geldart classe “B”. Partículas menores e mais leves (tamanho médio entre 0,020 e 0,150 mm) são Geldart classe “A”.

[00024] O meio de calor fluindo a partir de um regenerador de catalisador e, portanto, o meio de calor fluidizado para dentro do qual a biomassa é alimentada, pode estar em temperaturas na faixa de 550 a 800°C, por exemplo de 600 a 800°C, e a razão da taxa de fluxo de mistura de catalisador/biomassa (C/B) depende das condições operacionais. A C/B é independente da velocidade de gás e se refere à biomassa antes da pirólise. Valores típicos para C/B podem estar na faixa de 4 a 40, tal como de 6 a 30, por exemplo, de 10 a 20. A biomassa pode estar em temperatura ambiente ou ser pré-aquecida, porém preferivelmente não em temperaturas mais altas que ~150°C para evitar pirólise prematura na ausência de contato de catalisador e evitar obstrução na linha de injeção pneumática.

[00025] A alimentação contínua da biomassa para dentro da linha de injeção pneumática, isto é, antes da injeção pneumática para dentro do tubo de elevação, pode ser controlada por qualquer dispositivo de alimentação tradicional, tal como tremonha e tremonha de bloqueio, válvula rotativa, válvula corrediça, alimentador de rosca ou suas combinações. Um fluxo de gás carreador, então, após liberação do dispositivo de alimentação, transportará pneumaticamente os sólidos de biomassa fluindo a partir do dispositivo mencionado e fornecerá os sólidos com velocidade de gás de preferência na faixa de 5 a 40 m/s, tal como de 8 a 30 m/s, por exemplo de 15 a 25 m/s. O valor pode ser ajustado devido às condições operacionais e características de biomassa para evitar condições de saltos e engasgos, e depende da capacidade unitária, número de linhas de injeção e dimensões do tubo de elevação, etc. A velocidade do gás carreador pode ser ajustada para obter uma penetração adequada no fluxo de catalisador para C/B’s diferentes. C/B’s mais altas, tal como 40 m/s, necessitarão de velocidades de gás carreador mais altas em comparação com C/B’s mais baixas, tal como 5 m/s, a fim de obter a mesma mistura entre partículas de catalisador e biomassa. As faixas de C/B’s entre 4-40 m/s, 6-30 m/s e 10-20 m/s requerem de preferência respectivamente velocidades de gás carreador entre 5-40 m/s, 8-30 m/s e 15-25 m/s. O sistema pode operar em pressões diferentes. A velocidade sólida está relacionada à velocidade de gás como uma fração da mesma e depende do fator de deslizamento de gás/sólido. Em geral, uma ou mais linhas de injeção de biomassa e catalisador podem ser usadas dependendo da geometria e exequibilidade. Quanto mais linhas de injeção de alimentação, melhor a distribuição de biomassa no tubo de elevação. Entretanto, múltiplas linhas de injeção resultam também em mais sistemas de controle para assegurar a alimentação contínua. As linhas de injeção de catalisador e biomassa são desejavelmente dispostas com o ângulo de desvio mais alto possível. Por exemplo, se uma linha de injeção de catalisador e duas de injeção de biomassa forem usadas, é preferível que as linhas de injeção de biomassa estejam situadas em lados opostos com 90° de deslocamento com relação à entrada do catalisador. O tubo de injeção de biomassa pode ter orientação horizontal, ascendente ou descendente com ângulos de desvio que variam de 0 a 60 graus (tal como 45 graus) com relação à direção horizontal. A orientação descendente é preferida uma vez que permite maior penetração e facilidade em fornecimento para evitar refluxo e fluxo de redemoinho de sólidos.

[00026] Embora o distribuidor de gás no fundo do tubo de elevação seja para manter os sólidos em um estado fluidizado (Ug>Umf), é possível acrescentar gás adicional (por exemplo, por injeção lateral) a montante da linha de injeção pneumática de biomassa para estabelecer um fluxo mais diluído e ajudar na penetração da biomassa. Esse gás pode ser vapor ou, por exemplo, gás de reciclagem de pirólise catalítica compreendendo CO, CO2, hidrocarbonetos leves e combinações dos mesmos. Velocidades de gás superficial típicas no fundo do tubo de elevação abaixo das linhas de injeção de biomassa variam de 0,1 a 2 m/s, tal como de 0,3 a 1 m/s.

[00027] A distância vertical entre os pontos de injeção de biomassa e catalisador na zona de mistura, por exemplo, tubo de elevação, deve ser suficiente para permitir o estabelecimento de fluxo de catalisador. Essa distância depende da geometria e escala de uma dada instalação e pode ser rotineiramente determinada. Um exemplo é fornecido abaixo.

[00028] Velocidades de gás superficial típicas no topo do tubo de elevação podem variar de 5 a 25 m/s, tal como de 8 a 20 m/s. Independente da velocidade superficial no topo do tubo de elevação, a prevenção de obstrução e mistura ruim é controlada pela velocidade da injeção pneumática de biomassa. Mesmo onde a velocidade superficial da mistura de biomassa/catalisador é igual ou similar a processos existentes, o efeito benéfico da introdução pneumática de biomassa é retido.

[00029] Um dispositivo de terminação e redistribuição de fluxo de sólidos e gás é montado, preferencialmente, na saída do tubo de elevação para evitar canalização de gás e aumentar a distribuição de alimentação no leito fluidizado. Esse dispositivo pode consistir, por exemplo, em um Cogumelo montado em uma Gaiola (por exemplo, Publicação da patente FR no. 3006607-A1), ou qualquer outro aparelho de terminação comumente usado para essa finalidade. O leito fluidizado pode ser equipado com um distribuidor de gás para manter os sólidos fluidizados e aumentar a mistura com a alimentação vinda do tubo de elevação.

[00030] Em uma modalidade adicional da invenção, a pelo menos uma zona de mistura pode compreender um ou mais tubos de elevação, por exemplo, 1 a 4, para fornecer o gás e sólidos de biomassa para dentro de um reator de leito fluidizado. Entretanto, o sistema sugerido consistindo em um tubo de elevação equipado com um dispositivo de terminação é preferível devido à facilidade de controle.

Exemplos

[00031] Experimentos demonstrando o sistema de injeção de alimentação da presente invenção foram conduzidos usando simulações do modelo de Dinâmica de Fluido computacional (CFD) da seção inferior de um tubo de elevação para pesquisar a exequibilidade em termos de penetração de biomassa e taxa de aquecimento. O catalisador flui de um tubo vertical e a biomassa é injetada pneumaticamente no sistema onde entram em contato e trocam calor. A Tabela 1 fornece as condições operacionais utilizadas para os experimentos:

[00032] Pirólise catalítica requer aquecimento rápido de biomassa (~400-500°C/s) a temperaturas na faixa de (400-600°C) . Os resultados das simulações de CFD foram analisados considerando o comportamento de partículas de biomassa no sistema operando em estado estacionário. As simulações também foram realizadas para demonstrar que partículas de biomassa na linha de injeção pneumática permanecem em temperatura baixa para evitar pirólise prematura na ausência de catalisador que poderia levar à obstrução da linha. Para essa finalidade, o pior cenário foi considerado onde a parede da linha de injeção de biomassa está na temperatura de fundo do tubo de elevação de 690°C, sob as mesmas condições de fluxo indicadas na Tabela 1.

[00033] Com referência mais particularmente à figura 1, um diagrama esquemático de uma modalidade da presente invenção é mostrado. Na figura 1, um tubo de elevação alimenta para o fundo de um reator de leito fluidizado com um dispositivo de terminação no topo do tubo de elevação e no fundo do reator. Um distribuidor de gás é implantado na base do tubo de elevação. Partículas de catalisador quentes, tais como compreendendo partículas Geldart classe “A” compreendendo zeólita tendo a estrutura de ZSM-5, tal como a partir de uma instalação de regeneração de catalisador, entram no tubo de elevação acima do distribuidor de gás como um meio de calor fluidizado. A alimentação de biomassa com um gás carreador compreendendo vapor, gás de reciclagem de pirólise catalítica ou uma combinação dos mesmos, é pneumaticamente injetada no tubo de elevação em uma velocidade de 5 a 40 m/s e para dentro das partículas de catalisador quentes em um ponto acima da injeção de catalisador. Gás adicional compreendendo vapor, gás de reciclagem de pirólise catalítica ou uma combinação dos mesmos, é injetada no tubo de elevação em vários pontos com o resultado de que a razão de taxa de fluxo de catalisador/biomassa a jusante a partir do ponto de injeção pneumática de biomassa é mantida de 4 a 40.

[00034] Com referência mais particularmente à figura 2, que mostra alguns resultados visuais obtidos quando uma única linha de injeção pneumática de biomassa é usada no processo mostrado na figura 1. A biomassa penetra no poço de seção transversal e se mistura adequadamente com o catalisador. A maior parte das partículas de biomassa é convertida em gás de pirólise e vapor no tubo de elevação em proximidade estreita com o ponto de entrada da linha de injeção de biomassa. A fração de partículas de biomassa não convertida imediatamente em gás e vapor foi menor que 1% nessa região de mistura, e biomassa não reagida pirolisou rapidamente na seção acima. A conversão rápida de biomassa sólida em vapores de pirólise demonstra que o sistema de alimentação proposto é adequado para pirólise catalítica pelo que os gases e vapores interagem com o catalisador para serem convertidos em produtos de combustível de hidrocarboneto e produtos químicos valiosos.

[00035] Com referência mais particularmente à figura 3, uma ilustração é provida de temperatura média de sólido (K) na linha de injeção de biomassa quando sua parede é mantida em uma temperatura alta. O movimento extremamente rápido das partículas de biomassa resultou em um aquecimento desprezível (menos de 10°C/m) das partículas. Esse resultado confirma a importância de transporte pneumático da presente invenção para evitar aglomeração de sólidos. Como mostrado na figura 3, a temperatura média de sólido obtida na linha de injeção permanece amplamente em torno de 300K.

[00036] Sem elaboração adicional, acredita-se que um técnico no assunto possa, usando a descrição anterior, utilizar a presente invenção até seu ponto máximo. As modalidades específicas preferidas precedentes devem, portanto, ser interpretadas como meramente ilustrativas, e de modo algum não limitantes do restante da revelação.

[00037] Acima e nos exemplos, todas as temperaturas são expostas não corrigidas em graus Celsius e todas as partes e percentagens são em peso, a menos que de outro modo indicado.

[00038] Os exemplos anteriores podem ser repetidos com sucesso similar ao substituir os reagentes e/ou condições operacionais genéricas ou especificamente descritas da presente invenção por aquelas usadas nos exemplos anteriores.

[00039] A partir da descrição acima, um técnico no assunto pode facilmente determinar as características essenciais da presente invenção e, sem se afastar do espírito e escopo da mesma, pode fazer várias alterações e modificações na invenção para adaptar a mesma aos vários usos e condições.

Claims

1. Processo para pirólise catalítica de biomassa em um reator de leito fluidizado, o processo sendo caracterizado pelo fato de que compreende: a. injetar pneumaticamente uma alimentação de biomassa com um gás carreador em uma velocidade de 5 a 4 0 m/s através de uma linha de injeção pneumática em um catalizador fluidizado em pelo menos uma zona de mistura dentro de pelo menos um tubo de elevação que se estende do, e está em comunicação fluida com, reator de leito fluidizado, em que a pelo menos uma zona de mistura está fora do reator de leito fluidizado e em que a alimentação de biomassa na linha de injeção pneumática tem uma temperatura de não mais que 150°C; b. em que cada tubo de elevação é equipado com um distribuidor em sua extremidade de fundo, com um dispositivo de terminação do tipo Cogumelo montado no topo, e com uma linha de injeção catalítica sendo conectada ao tubo de elevação embaixo da linha de injeção pneumática, e c. injetar catalisador através da linha de injeção catalítica na pelo menos uma zona de mistura e manter uma razão de taxa de fluxo de mistura de catalisador/biomassa (C/B) de 4 a 40 a jusante do ponto de injeção de biomassa na pelo menos uma zona de mistura.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a alimentação de biomassa é injetada através da linha de injeção pneumática na pelo menos uma zona de mistura tendo uma orientação horizontal, ascendente ou descendente com um ângulo de desvio de 0 a 60 graus.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o ângulo de desvio é de 45 graus.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que existem duas linhas de injeção pneumática situadas em lados opostos da pelo menos uma zona de mistura, com 90° de deslocamento com relação a uma entrada de meio de calor.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a alimentação de biomassa na linha de injeção pneumática antes da injeção pneumática na zona de mistura é controlada por uma tremonha, tremonha de bloqueio, válvula corrediça, válvula rotativa, alimentador de rosca ou uma combinação dos mesmos.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que gás gerado da pirólise catalítica da alimentação de biomassa no reator de leito fluidizado fornece gás carreador adicional para transportar a mistura de catalisador/biomassa para dentro do reator de leito fluidizado.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o catalisador injetado na pelo menos uma zona de mistura através da linha de injeção de catalisador tem uma temperatura de 600 a 800°C.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que gás adicional é injetado na pelo menos uma zona de mistura a montante da linha de injeção pneumática.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o gás adicional é injetado na pelo menos uma zona de mistura em uma pluralidade de pontos ao longo da pelo menos uma zona de mistura para ajustar uma velocidade de gás superficial na pelo menos uma zona de mistura.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que possui uma velocidade de gás superficial no fundo da pelo menos uma zona de mistura abaixo da linha de injeção pneumática de 0,1 a 2 m/s.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que possui uma velocidade de gás superficial no topo da pelo menos uma zona de mistura de 5 a 25 m/s.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a alimentação de biomassa compreende material carbonáceo sólido, madeira, resíduo ou resto agrícola, subproduto silvícola, resíduo municipal ou uma combinação dos mesmos.

13. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que um catalisador da pirólise catalítica compreende partículas Geldart classe A, partículas classe B ou misturas das mesmas.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o catalisador compreende uma peneira molecular cristalina com a característica de um SAR maior que 12 e um CI de 1 a 12.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a peneira molecular cristalina tem uma estrutura de ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-48, ZSM-50 ou combinações dos mesmos.

16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que a taxa de fluxo da alimentação de biomassa na linha de injeção pneumática é contínua.

17. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do reator de leito fluidizado é pelo menos 2 vezes o diâmetro da zona de mistura.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o gás adicional compreende vapor, gás de reciclo de pirólise catalítica ou uma combinação dos mesmos.