BR112021005373A2 - reator para produção de gás de síntese a partir de combustível - Google Patents

Abstract

REATOR PARA PRODUÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE A PARTIR DE COMBUSTÍVEL. A invenção refere-se a um reator para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, com um alojamento (2) com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser (3) se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator (1) e acomodando um segundo leito fluidizado em operação, um canto inferior (4) posicionado paralelamente ao riser e se estendendo para o primeiro leito fluidizado, e um ou mais canais de alimentação (33) para prover o combustível ao reator (1). O reator (1) tem ainda uma seção de câmara de ar de riser (B) conectada a uma parte inferior do riser (3), a seção de câmara de ar de riser (B) compreendendo uma parede cilíndrica (28) com uma pluralidade de orifícios localizados circunferencialmente (24, 25).

Description

“REATOR PARA PRODUÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE A PARTIR DE COMBUSTÍVEL” Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere a um reator para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, compreendendo um alojamento com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator e acomodando um segundo leito fluidizado em operação, um canto inferior posicionado paralelamente ao riser e se estendendo para o primeiro leito fluidizado e um ou mais canais de alimentação para prover o combustível ao reator. Técnica Anterior

[002] Em reatores conhecidos do tipo com um sistema de leito fluidizado circulante interno, geralmente ocorrem problemas ao dimensionar o reator do tamanho de uma unidade de desenvolvimento de processo para uma unidade comercialmente operacional. Além disso, a flexibilidade da matéria-prima proclamada que pode ser usada em reatores conhecidos não pode ser garantida, predominantemente a partir de deficiências na extração de cinzas quando continuamente necessária (tal como ao usar matérias-primas residuais ou matérias-primas com alto potencial de aglomeração ou com alto conteúdo inerte).

[003] A publicação de patente internacional WO2014/070001 descreve um reator para a produção de um produto gasoso a partir de um combustível (biomassa) tendo um alojamento com uma parte de combustão acomodando um leito fluidizado em operação, um riser se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator, e um tubo inferior posicionado coaxialmente em torno do riser e se estendendo para o leito fluidizado.

[004] A publicação da patente US US3.776.150 divulga um sistema de leito fluidizado para pirólise ou incineração de resíduos sólidos. A alimentação de sólidos é alimentada à força em um aparelho de leito fluidizado tendo uma placa distribuidora em forma cônica e uma primeira câmara interna acima da placa distribuidora e uma segunda câmara interna menor conectada à primeira câmara e posicionada diretamente abaixo da primeira câmara.

[005] A publicação de patente internacional W02007/061301 descreve um dispositivo para a produção de um produto gasoso a partir de biomassa que compreende pelo menos um riser para a conversão de biomassa em um produto gasoso e uma substância sólida. A substância sólida deposita-se no topo do reator e cai na câmara de combustão externa por meio de um ou mais canais inferiores. Como pelo menos um bico para a injeção de um gás de fluidização está conectado ao riser, como resultado, o riser na parte inferior não está livre de obstruções.

[006] A publicação de patente internacional W02008/108644 descreve uma melhoria para o dispositivo divulgado em W02007/061301, embora ainda divulgue a presença de pelo menos um bico injetando um fluido de fluidificação dentro ou sob o riser, bloqueando assim parcialmente a extração do material de leito do riser.

[007] A publicação da patente europeia EP-A-0 844 021 descreve um reator para conversão catalítica de substâncias orgânicas usando um reator de leito fluido circulante interno, onde também um distribuidor é descrito acima do leito fluidizado central. Aqui, porém, o distribuidor é referido como um defletor, causando apenas a separação das partículas de catalisador do gás. Sumário da Invenção

[008] A presente invenção visa a prover um reator aprimorado para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, que seja confiável e suportável, mesmo quando operado com combustíveis associados a um grande número de contaminantes que acabam no reator. Contaminantes que são ligados ao combustível, como pedras, metais e vidro, ou são o resultado de reações químicas como aglomerados, e que requerem uma taxa de extração mais alta do reator. Em outras palavras, a presente invenção procura prover uma solução para evitar incrustação e/ou obstrução em um gaseificador devido à assentamento e/ou formação de pontes de materiais inertes e aglomerados. Além disso, a presente invenção procura prover um reator aprimorado para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, que é escalonável, mesmo quando dimensionado para várias dezenas de toneladas por hora de alimentação de combustível.

[009] De acordo com a presente invenção, um reator de acordo com o preâmbulo definido acima é provido, em que o reator adicionalmente compreende uma seção de câmara de ar de riser conectada a uma parte inferior do riser, a seção de câmara de ar de riser compreendendo uma parede cilíndrica com uma pluralidade de orifícios circunferencialmente localizados. Esta construção permite usar os orifícios circunferencialmente localizados como bicos de fluidização que implementam o segundo leito fluidizado durante a operação, e permite o movimento irrestrito do material do leito (areia) no segundo leito fluidizado, melhorando muito a eficiência operacional do presente reator. Como o meio de fluidização (por exemplo, ar) está sendo fornecido a partir da lateral para o riser, esta construção como tal não está bloqueando ou parcialmente bloqueia a extração de cinzas do riser. Além disso, isso garante que durante a operação as cinzas e os materiais inertes mais pesados associados possam ser extraídos do reator sem o risco de formação de pontes e bloqueio da saída de fundo do reator.

[010] É notado que nas modalidades do reator da presente invenção, múltiplos risers podem estar presentes, em combinação com um ou mais cantos inferiores. Além disso, um canto inferior pode ser provido coaxialmente a um riser associado, ou como um canal de canto inferior separado (alinhado no sentido do comprimento). Isto aumenta ainda mais a escalabilidade das modalidades do reator da presente invenção.

[011] Outras modalidades vantajosas do reator da presente invenção são descritas pelas reivindicações dependentes anexas. Breve Descrição dos Desenhos

[012] A presente invenção será discutida em mais detalhes abaixo, com referência aos desenhos anexos, nos quais

[013] A Fig. 1 mostra uma vista em corte transversal de um reator de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[014] A Fig. 2A mostra uma vista em corte transversal de uma seção da câmara de ar de riser da modalidade do reator mostrada na Fig. 1;

[015] A Fig. 2B mostra uma vista detalhada de um canto superior da seção da câmara de ar de riser mostrada na Fig. 2A;

[016] A Fig. 3A mostra uma vista em corte parcial em perspectiva de uma parte da modalidade do reator mostrada na Fig. 1;

[017] A Fig. 3B mostra uma vista em corte transversal de topo da modalidade do reator mostrada na Fig. 1 ao longo das linhas IIIB-IIIB; e

[018] A Fig. 3C mostra uma vista em corte transversal parcial do riser e parte da seção da câmara de ar de riser da modalidade do reator mostrada na Fig. 1. Descrição de Modalidades

[019] A presente invenção é descrita abaixo com referência a uma modalidade exemplar de um reator para a produção de um gás de síntese a partir de um combustível, como mostrado nos desenhos. No entanto, é notado que partes do reator podem ser implementadas usando alternativas e modificações adicionais, como também indicado na descrição abaixo. O reator 1 de acordo com a presente invenção é utilizado para transformar um combustível em um gás de síntese, que pode ser usado posteriormente. O combustível pode ser um produto de biomassa, ou resíduo de várias constituições, e o gás de síntese emitido do reator 1 pode ser posteriormente sintetizado em outros produtos ou usado diretamente em, por exemplo, um gerador elétrico movido a gás ou aplicações de aquecimento.

[020] A Fig. 1 mostra uma vista em corte transversal de um reator 1 de acordo com uma modalidade exemplar da presente invenção, tendo várias seções. Indicado com roman I está a seção principal do reator 1 onde os processos de pirólise e combustão estão ocorrendo durante a operação em um primeiro e segundo leito fluidizado. Esta seção principal A compreende um alojamento 2 com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser 3 se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator 1 e acomodando um segundo leito fluidizado em operação e um canto inferior 4 posicionado paralelamente ao riser 3 e se estendendo para o primeiro leito fluidizado. Na parte inferior do alojamento 2, uma seção inferior C é indicada, que compreende os elementos estruturais e funcionais para prover o primeiro e o segundo leito fluidizado durante a operação, e que será explicada em mais detalhes abaixo. Nesta seção inferior C, por exemplo, um ou mais canais de alimentação 33 estão presentes para prover o combustível ao reator 1, por exemplo, para o riser 3. O gás de combustão gerado no primeiro leito fluidizado pode sair do reator através da saída de gás de combustão 6, posicionada em uma parte superior do reator 1, como mostrado na modalidade da Fig.

1.

[021] Abaixo da seção principal A, uma câmara de ar de riser II é posicionada, a qual é disposta para prover controle do segundo leito fluidizado dentro do riser

3. Os detalhes da câmara de ar de riser II são discutidos abaixo com referência às Fig. 2A e 2B. Abaixo da câmara de ar de riser II, uma seção de tubo de bobina do riser E está posicionada, que é operativa para permitir a extração de cinzas e material do leito do fundo do reator 1 (por exemplo, usando um parafuso grande ou tipo de broca de instalação abaixo, não mostrado em Figura 1).

[022] Acima da seção principal A, uma seção de distribuidor de saída de gás D é provida, o que garante a extração adequada do gás de síntese gerado do reator 1 através da saída de gás de síntese 8. Na modalidade exemplar mostrada na Fig. 1, uma saída de alívio de pressão 7 está presente na parte superior do reator 1, logo abaixo da seção de distribuidor de saída de gás D. Durante a operação normal, a saída de alívio de pressão 7 é fechada, por exemplo, usando uma válvula de segurança. Os detalhes da seção de distribuidor de saída de gás D são discutidos mais adiante.

[023] Durante a operação (bastante semelhante às versões anteriores do reator 1, conforme descrito nas publicações PCT W02007/061301 e W02008/108644, que são incorporadas neste documento por referência), o combustível na forma de matéria-prima é alimentado no riser 3 através da entrada de combustível 33, para entrar no segundo leito fluidizado dentro do riser 3. A matéria-prima é gaseificada no segundo leito fluidizado, arrastando o material do leito para fora do riser 3 para a seção superior do reator 1, onde as partículas assentam-se a partir da velocidade reduzida do gás e caem no canto inferior 4 (por exemplo, através da parte do funil 5 mostrada na modalidade da Fig. 1) para terminar no primeiro leito fluidizado na seção de combustão fluidificada dentro do alojamento 2, como indicado pelas setas na Fig. 1. O gás de síntese produzido pelo processo de gaseificação deixa o reator 1 através da seção de distribuidor de saída de gás D (por exemplo, através da saída de gás de síntese 8 mostrada na modalidade da Fig. 1).

[024] Deve ser notado que o a modalidade exemplar do reator 1 tem um único riser localizado centralmente 3 e um único canto inferior 4 posicionado coaxialmente (ou concentricamente) ao riser 3. Para reatores de escala maior 1, prevê-se que mais de um riser 3 esteja presente, bem como mais de um canto inferior 4 (mesmo independente do número de riseres 3). Além disso, risers 3 e cantos inferiores 4 podem ser posicionados coaxialmente, mas também podem ser posicionados um ao lado do outro. Além disso, apenas um único canal de alimentação 33 é mostrado na modalidade da Fig. 1, direcionado geralmente perpendicular a uma direção longitudinal do riser 3. Em outras modalidades alternativas, múltiplos canais de alimentação 33 podem estar presentes, por exemplo, para entrar na matéria-prima de dois ou mais lados, ou em diferentes alturas no riser 3.

[025] O material de leito quente presente na zona de combustão (isto é, o primeiro leito fluidizado) é (parcialmente) transportado através de duas zonas de queda em uma parte inferior da zona de combustão, por exemplo, a 90° de rotação em comparação com o canal de alimentação 33, na parte inferior do riser 3. Em outras modalidades exemplares, uma ou mais zonas de queda estão presentes. O material de leito quente assim recirculado garante a gaseificação da matéria-prima no riser 3.

[026] Em reatores de gaseificação existentes, componentes como bicos de fluidização estão presentes dentro do riser 3. Como resultado, nenhuma extração contínua de cinza é possível, ou pelo menos dificultada. Ao usar biomassa limpa como combustível, isso não é necessariamente um problema, pois a maioria das cinzas deixaria o reator 1 pela saída de gás de combustão 6 e nenhuma grande quantidade de materiais inertes ou aglomerados será criada. Em seguida, também é possível usar um único bico de fluidização em uma parte inferior do riser 3, tanto durante a operação normal (pequeno fluxo de gás necessário apenas para fluidizar o segundo leito fluidizado no riser 3), bem como durante a operação de inicialização (alto fluxo de gás para iniciar a circulação interna do material do leito no reator 1).

[027] No entanto, ao usar matéria-prima com um alto teor de materiais inertes como rochas, metais e vidro (como resíduos) ou manuseio de matéria-prima com alto risco de fusão formando aglomerados (como grama), este posicionamento convencional de um bico de fluidização dentro do riser 3 restringe e complica uma desejada extração de cinzas.

[028] Além disso, o único bico de fluidização operando em diferentes fluxos de gás resultou em um compromisso no projeto, pois durante a operação normal com baixo fluxo de gás, as velocidades através do bico podem ser muito baixas, causando refluxo do material do leito na câmara de ar conectada ao bico de fluidização. Durante a inicialização com alto fluxo, as velocidades através do bico de fluidização eram (muito) altas, causando grandes quedas de pressão e erosão.

[029] Verificou-se que a necessidade de extração de cinzas mais contínua também da parte inferior do reator 1 era necessária. No entanto, isso resultou no desaparecimento do leito estático no fundo do reator 1 (abaixo dos bicos de fluidização), o que por sua vez exigiu um design de isolamento diferente, bem como o uso de diferentes materiais na zona de extração de cinzas.

[030] Além disso, verificou-se que o uso mais frequente dessas matérias-primas mais complicadas resultou em muitos problemas de manutenção, necessitando de longos períodos de inatividade, uma vez que a remoção dos materiais inertes e aglomerados era complexa devido à falta de acessibilidade do reator 1 em locais convenientes do mesmo.

[031] Para abordar essas questões, as modalidades da presente invenção foram concebidas, que em uma primeira modalidade se refere a um reator para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, compreendendo um alojamento 2 com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser 3 estendendo-se ao longo de uma direção longitudinal do reator 1 e acomodando um segundo leito fluidizado em operação, um canto inferior 4 posicionado paralelamente ao riser e se estendendo para o primeiro leito fluidizado e um ou mais canais de alimentação 33 para prover o combustível ao riser 3. O reator 1 adicionalmente compreende uma seção de câmara de ar de riser B conectada a uma parte inferior do riser 3, a seção de câmara de ar de riser B compreendendo uma parede cilíndrica 28 com uma pluralidade de orifícios circunferencialmente localizados 24, 25.

[032] Nesta modalidade, a zona de extração de cinzas do reator 1 (ou seja, do riser 3 através da seção de câmara de ar de riser B e da seção de tubo de bobina de riser E) não tem restrições resultantes de bicos internos, como o meio de fluidização (por exemplo, ar em operação normal do reator 1) e o meio de inicialização (por exemplo, maior fluxo de ar) são alimentados através da parede 28 de uma parte do tubo de bico da câmara de ar de riser II. Os recursos adicionais presentes para prover o meio aos orifícios circunferencialmente localizados 24, 25 podem ser integrados na seção de câmara de ar de riser B sem restringir a extração de cinzas. É notado que a parede cilíndrica 28 é congruente com a seção transversal inferior do riser 3.

[033] Uma modalidade exemplar da seção de câmara de ar de riser B, que na verdade é um componente separado permitindo a fabricação e instalação mais eficiente da mesma, é mostrada na vista em corte transversal da Fig. 2A e vista em seção transversal detalhada da Fig. 2B. A câmara de ar de riser II compreende um flange superior 22, permitindo montar a seção de câmara de ar de riser B em um flange de fundo do reator 1 na seção de fundo C do mesmo. Quando instalada, a parte superior da parede cilíndrica 28 então se alinha com a parte inferior do riser 3, deixando uma pequena lacuna para acomodar possíveis diferenças na expansão térmica da parte inferior do riser 3 e o topo da parede cilíndrica 28. Um flange inferior 23 está presente para estender a zona de extração de cinzas para um flange superior da seção de tubo de bobina de riser E.

[034] Nesta modalidade, a seção de câmara de ar de riser B compreende duas seções de orifícios de bico, uma seção superior com uma primeira pluralidade de orifícios 25 e uma seção inferior com uma segunda pluralidade de orifícios 24, em que uma superfície de abertura total da segunda pluralidade de furos 24 é maior do que uma abertura de superfície total da primeira pluralidade de furos 25. Isso permite a operação inicial do reator 1 com um alto fluxo de ar, e a operação regular com um fluxo de ar suficiente, embora não restrinja o movimento da areia no segundo leito fluidizado. Em outras palavras, o bico de fluidização para o segundo leito fluidizado no riser 3 tem duas seções de orifícios de bico 24, 25, a seção superior (primeira pluralidade de orifícios 25) sendo operativa durante a operação normal quando a quantidade de gás de fluidização necessária é mínima, enquanto a seção inferior (segunda pluralidade de orifícios 24) é aplicada apenas durante a inicialização quando a quantidade de gás de fluidização necessária precisa ser aumentada para iniciar a circulação interna do material do leito no reator

1. Durante a inicialização, a primeira pluralidade de orifícios 25 também está operativa, a fim de evitar o entupimento dos mesmos quando a segunda pluralidade de orifícios 24 estiver operativa. Isso também tem o efeito de que durante a inicialização a queda de pressão sobre os bicos 24, 25 não se torna muito alta, e durante a operação normal as velocidades através dos bicos 24, 25 não se tornam muito baixas. Os orifícios de bico 24, 25 para o ar de fluidização (operação normal) e o ar de inicialização (operação de inicialização) são separados um do outro com os bicos de ar de fluidização (primeira pluralidade de orifícios 25) sendo localizados acima dos bicos de ar de inicialização (segunda pluralidade de orifícios 24). Como tal, os orifícios de bico 24, 25 podem ser projetados para uma velocidade de gás típica de 5-20 m/s, com o tamanho e a quantidade dos orifícios de bico de ar de fluidização 25 tornando-se independentes do tamanho e da quantidade do bico de ar inicial buracos 24.

[035] Como mostrado nas vistas em corte transversal da Fig. 2A e 2B, uma câmara de ar de fluidização 27 é provida em comunicação com a primeira pluralidade de orifícios 25 e, além disso, uma câmara de ar de inicialização 26 é provida em comunicação com a segunda pluralidade de orifícios 24. Note-se que a câmara de ar de fluidização 27 é incorporada usando uma parede de câmara de ar de fluidização 27a posicionada coaxialmente à parede da câmara de ar de riser 28 na parte superior da seção de câmara de ar de riser II (isto é, no flange superior 22 e acima). Da mesma forma, a câmara de ar de inicialização 26 é incorporada usando uma parede de câmara de ar de inicialização 26a posicionada coaxialmente à parede da câmara de ar de riser 28 na parte superior da seção de câmara de ar de riser B. Abaixo do flange superior é então possível alargar a câmara de ar de fluidização 27 e a câmara de ar de inicialização 26, permitindo que outros recursos estruturais sejam adicionados, tais como conexões de ar (pressurizadas) e/ou escotilhas de inspeção e manutenção (já que todas as câmaras de ar 26, 27 estão possivelmente sujeitas ao risco de refluxo do material do leito). Além disso, este aumento no diâmetro permite uma diferença de temperatura e/ou expansão térmica diferente entre a parede da câmara de ar de riser 28, a parede da câmara de ar de inicialização 26a e a parede da câmara de ar de fluidização 27a.

[036] Durante a operação normal, apenas ar de fluidização é adicionado ao reator 1, e o material do leito abaixo dos orifícios dos bicos de ar de fluidização (primeira pluralidade de orifícios 25) não é fluidizado. Como tal, nenhum material do leito pode fluir de volta na câmara de ar de inicialização 26 através da segunda pluralidade de orifícios 24. Durante a inicialização, tanto o ar de fluidização quanto o ar de inicialização são adicionados ao riser 3. A presença de ar de fluidização também durante a inicialização evita que o material do leito esteja fluindo para trás para a câmara de ar de fluidização 27 através da primeira pluralidade de orifícios

25.

[037] A quantidade e o tamanho dos bicos (primeira e segunda pluralidade de orifícios 24, 25) são baseados no fluxo ou ar que passa pelos bicos, bem como um ângulo de repouso do material do leito. Isto para conseguir o efeito de que em caso de não fluidização, o leito estático não flua para trás nas câmaras de ar 26, 27. O ângulo de repouso de material de leito normalmente usado (areia) é, por exemplo, aproximadamente 35° e, portanto, o diâmetro d dos orifícios de bico é restrito a este ângulo de repouso e à espessura t do material da parede cilíndrica 28, isto é, d < t tan α.

[038] Em ainda outra modalidade, o reator 1 adicionalmente compreende uma seção de tubo de bobina de riser E conectada a uma parte inferior da câmara de ar do riser B, como descrito acima com referência à modalidade mostrada na Fig. 1. Esta seção de tubo de bobina de riser permite inspecionar o material do leito abaixo do segundo leito fluidizado e também remover detritos. Além disso, a manutenção segura dos bicos 24, 25 pode ser feita em caso de eventual bloqueio da zona de extração de cinzas.

[039] Como mostrado na Fig. 1, a seção de tubo de bobina de riser E compreende um flange de conexão inferior 53, bem como um tubo longo 51 e um tubo curto 52. O tubo longo 51 é instalado para permitir o acesso a esta seção E sem material de leito fluindo livremente para fora do reator 1 (novamente ligado ao ângulo de repouso), o tubo curto 52 resultaria em fluxo livre de material do leito para fora do reator 1 (por exemplo, se necessário para manutenção).

[040] Além disso, ao incluir a seção de tubo de bobina de riser E, é possível remover esta seção E (simplesmente desconectando o flange superior e inferior apropriado), o que então permite abaixar a seção de câmara de ar de riser B de modo que ela não seja mais posicionada dentro da seção inferior C do reator 1. Como tal, a acessibilidade do riser 3 é aumentada, uma vez que não é mais necessário remover um (grande) parafuso de resfriamento de cinza instalado no fundo de todo o reator 1 para a extração do material do leito. Em uma modalidade específica, a seção de câmara de ar de riser B compreende um flange de montagem superior 22 para conexão ao alojamento 2 e um flange de montagem inferior 23 para conexão a um flange de montagem correspondente da seção de tubo de bobina de riser E, em que uma altura h2 da parede cilíndrica 28 que se estende acima do flange de montagem superior 22 é igual ou inferior a uma altura h1 da seção de tubo de bobina de riser E (vide Fig. 1).

[041] Uma consideração adicional aceita para uma outra modalidade da presente invenção é que, conforme os bicos (ou melhor, a parte da parede cilíndrica 28 envolvendo a primeira e a segunda pluralidade de orifícios 24, 25) ficam quentes durante a operação, é necessário considerar a expansão térmica. Por esta razão, os pinos de isolamento 21 são mostrados nas vistas em corte transversal da Fig. 2A e 2B, nos quais, por exemplo, pode ser instalado material de fibra que permite a expansão enquanto preenche as lacunas com outras partes estruturais do reator 1 (por exemplo, a parte inferior do alojamento 2, onde a seção de câmara de ar de riser B é montada usando o flange superior 22). Mais geralmente, a seção de câmara de ar de riser B adicionalmente compreende material compressível fixado a uma superfície externa da mesma.

[042] Modalidades adicionais da presente invenção incluem modificações e recursos relacionados ao primeiro leito fluidizado (dentro da seção inferior C do reator 1), que são descritos com referência à vista em perspectiva em seção transversal parcial da Fig. 3A, a vista em seção transversal superior ao longo da linha IIIB- IIIB na Fig. 1 da Fig. 3B e a vista em corte parcial da Fig. 3C.

[043] Note-se que alguns reatores de gaseificação da técnica anterior do tipo de leito fluidizado tinham um fundo plano do leito fluidizado tanto em uma zona de combustão como em uma zona de transporte de areia. O fundo era, por exemplo, totalmente refratário revestido com tubos de queda para remover o material do leito, ou um leito estático estava presente abaixo do leito fluidizado, com alguns funis de extração para remover o material do leito. Os bicos quando não direcionados especificamente se destinavam apenas a fluidificar o material do leito. Os seguintes problemas foram encontrados para estes reatores da técnica anterior. Por causa do fundo horizontal do leito fluidizado, os materiais inertes e aglomerados não podiam ser facilmente removidos do reator durante a operação e, especialmente, ao usar matéria-prima residual como combustível, ao longo do tempo, os materiais inertes se acumulariam no reator. Também por causa do fundo horizontal e da ausência de qualquer meio de orientação (por exemplo, bicos) na zona de transporte, os aglomerados continuaram crescendo sem serem extraídos do reator. Consequentemente, em algum ponto os aglomerados estariam bloqueando toda a zona de transporte, como resultado, parando repentinamente a circulação de areia e travando a operação de gaseificação do reator.

[044] Para lidar com essas desvantagens, recursos adicionais são providos na seção inferior C do reator. Em geral, em um outro grupo de modalidades, um reator é provido para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, compreendendo um alojamento 2 com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser 3 se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator 1 e acomodando um segundo leito fluidizado em operação, um canto inferior 4 posicionado paralelamente ao riser e se estendendo para o primeiro leito fluidizado, e um ou mais canais de alimentação 33 para prover o combustível ao riser 3. O alojamento 2 compreende um primeiro fundo 31 inclinado, por exemplo refratário revestido, do primeiro leito fluidizado e um segundo fundo 32 inclinado, por exemplo, refratário revestido, em uma zona de transporte conectando o primeiro leito fluidizado e o segundo leito fluidizado através de uma abertura de transporte 39 no riser 3. O reator adicionalmente compreende múltiplos grupos de bicos de ar 36, 37, 38 no primeiro fundo inclinado 31 e segundo fundo inclinado 32, os múltiplos grupos de bicos de ar 36, 37, 38 sendo dispostos para direcionar o ar ao longo do respectivo primeiro e segundo fundo inclinado 31, 32. Em alternativa ou adicionalmente, o ar direcionado ao longo dos fundos inclinados 31, 32 pode ser vapor.

Estas modalidades permitem um movimento controlável de areia e detritos na seção inferior C, por exemplo, para recircular o material do leito do primeiro leito fluidizado para o segundo leito fluidizado no riser 3, ou para extrair cinzas e detritos (via a seção de câmara de ar de riser B e a seção de tubo de bobina de riser E). Um outro efeito vantajoso é que é possível direcionar os múltiplos grupos de bicos de ar 36, 37, 38 para longe das partes sensíveis do reator 1 (por exemplo, a parede do riser 3, ou aberturas específicas nessa parede), evitando a erosão da estrutura metálica do riser 3.

[045] Em uma modalidade adicional, o primeiro e o segundo fundo inclinado 31, 32 têm um ângulo de inclinação entre 5° - 35°, por exemplo, a 15° em relação a um plano de seção transversal do reator 1. Em uma modalidade exemplar (vide Fig. 3A-C), tanto o primeiro fundo 31 do primeiro leito fluidizado quanto o segundo fundo 32 nas zonas de transporte em direção à abertura de transporte 39 no riser 3, estão em uma inclinação de 15° facilitando o fluxo do material inerte e aglomerados em direção à zona de extração de cinzas em/abaixo do riser 3. A inclinação é limitada a ser menor do que o ângulo de repouso do material do leito, caso contrário, resultaria muita diferença no nível do leito ao longo do primeiro leito fluidizado.

[046] O fundo 31 do primeiro leito fluidizado é, por exemplo, equipado com bicos 36, 37 dos quais a saída de ar é direcionada para uma parte específica do reator 1, que é mostrado na vista superior da Fig. 3B. Os múltiplos grupos de bicos de ar 36, 37, 38 podem compreender um primeiro grupo de bicos de ar 36 no primeiro fundo inclinado 31, dos quais os fluxos de bico são direcionados para o centro do reator 1. O primeiro grupo de bicos de ar 36, ou bicos de ar primário externo, podem ser orientados radialmente, por exemplo, usando a configuração de tubo em cotovelo mostrada. Além disso, os múltiplos grupos de bicos de ar 36, 37, 38 compreendem um segundo grupo de bicos de ar 37 no primeiro fundo inclinado 31, dos quais os fluxos de bicos são direcionados para a zona de transporte. O segundo grupo de bicos de ar 37, ou bicos de ar primários internos, tem uma orientação direcional (plano médio) em direção à borda interna do primeiro fundo inclinado 31, ou seja, em direção às zonas de transporte que levam à abertura de transporte 39. Isso garantirá que materiais inertes e aglomerados sejam soprados em direção à zona de transporte. Em todos os casos, os bicos individuais são dispostos para terem um fluxo de saída que não atinge diretamente nenhuma parte do reator (por exemplo, superfícies de metal do riser 3, o material refratário no primeiro fundo inclinado 31 ou outros bicos na frente).

[047] Em uma outra modalidade, os múltiplos grupos de bicos de ar 36, 37, 38 compreendem um terceiro grupo de bicos de ar 38 no segundo fundo inclinado 32, dos quais os fluxos de bico são direcionados para a abertura de transporte 39 no riser 3. Os bicos do terceiro grupo de bicos 38 tem um fluxo de saída de ar que não atinge diretamente nenhuma parte do reator (por exemplo, superfícies de metal do riser 3, o material refratário no segundo fundo inclinado 32 ou outros bicos na frente).

[048] Em ainda outra modalidade, a abertura de transporte 39 no riser 3 é provida com uma placa de cobertura. Tal placa de cobertura pode ter funções múltiplas e, por exemplo, não só permite que o tamanho da abertura de transporte 39 seja modificado durante uma parada de manutenção, substituindo a placa de cobertura, mas também permite a proteção do metal do riser 3 de erosão severa na presença de materiais inertes e aglomerados. Para esse fim, a placa de cobertura pode ser provida com uma abertura de placa de cobertura, por exemplo, menor do que a abertura de transporte 39 no riser 3.

[049] A abertura de transporte 39 pode ser dimensionada com base em um diferencial de pressão desejado entre o riser 3 e o primeiro leito fluidizado, o que determina a velocidade do material do leito sendo transportado. Por exemplo, a abertura de transporte 39 (na placa de cobertura) pode ser dimensionada de modo que a quantidade de material do leito sendo transportado seja 40 vezes a quantidade de matéria-prima alimentada no reator 1. Isso criaria um diferencial de temperatura entre a combustão exotérmica no primeiro leito fluidizado e pirólise endotérmica no segundo leito fluidizado de ~70ºC. Ao aumentar as dimensões da abertura de transporte 39 (que é limitada pelo tamanho do riser 3), o transporte do material do leito pode ser ~60 vezes a quantidade de matéria-prima e a diferença de temperatura será então reduzida para ~50ºC. Ao diminuir as dimensões da abertura de transporte 39, o transporte do material do leito pode ser reduzido. Se reduzir para ~20 vezes a quantidade de matéria-prima, a diferença de temperatura será superior a 100 ºC. Portanto, a placa de cobertura não apenas protege o metal do riser 3 contra a erosão indesejada, mas também permite modificações e, portanto, outras condições de operação sem a necessidade de substituir todo o riser 3.

[050] Modalidades adicionais da presente invenção incluem modificações e recursos relacionados à seção de distribuidor de saída de gás D, que são descritas abaixo com referência à vista em corte transversal da Fig.

1. Em geral, em um outro grupo de modalidades, um reator 1 para produzir um gás de síntese a partir de um combustível é provido, compreendendo um alojamento 2 com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser 3 se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator 1 e acomodando um segundo leito fluidizado em operação, um canto inferior 4 posicionado paralelamente ao riser e se estendendo para o primeiro leito fluidizado e um ou mais canais de alimentação 33 para prover o combustível ao riser 3. O reator 1 adicionalmente compreende uma seção de distribuidor de saída de gás D, a seção de distribuidor de saída de gás D compreendendo um cone interno 41 e um cone externo 42 (que pode ser do mesmo material, por exemplo, metal), em que o cone interno e externo têm um ângulo de abertura de vértice diferente e forma um canal de saída com uma seção transversal constante em função de uma altura da seção de distribuidor de saída de gás D. O ângulo de abertura de vértice diferente garante uma velocidade de gás constante ao longo de todo o canal de saída formado entre o cone interno e externo 41, 42. Além disso, a forma do cone interno 41 tem o efeito de um assentamento melhorado do material do leito e cinzas, o cone interno e externo 41, 42 tendo a distância necessária entre os cones 41, 42 em todas as temperaturas operativas (incluindo, por exemplo, durante a inicialização e desligamento) garantindo velocidade do gás suficiente durante a inicialização, bem como durante a operação normal.

[051] A seção de distribuidor de saída de gás D cria um canal de saída de gás de lacuna estreita começando perto do topo do reator 1. A lacuna estreita é projetada para criar uma velocidade do gás de, por exemplo, 20 m/s. À medida que o cone interno 41 e o cone externo 42 estão ficando menores em direção à saída de gás sintético 8, mas em um ângulo de abertura de vértice diferente, a lacuna está aumentando para manter a alta velocidade do gás. A inclinação do cone interno 41 considera novamente o ângulo de repouso do material do leito, de modo que, no caso de não haver fluxo de gás, as partículas teriam a tendência de fluir de volta para o interior do reator.

[052] Este grupo de modalidades aborda uma série de problemas que foram identificados para projetos de reatores existentes. Em projetos anteriores, um defletor era posicionado acima do riser 3, que funciona de maneira diferente da seção de distribuidor de saída de gás D da presente invenção, criando altas velocidades na própria saída de gás. Como resultado, as velocidades no reator 1 eram muito baixas e a saída de gás sofria de entupimento por poeira e alcatrão. Em alguns reatores da técnica anterior, um distribuidor de saída de gás foi colocado mais perto do revestimento refratário na parte superior do alojamento 2, no entanto, como o material de revestimento refratário e o distribuidor de saída de gás (metálico) têm comportamento de expansão térmica diferente, era complicado chegar para o projeto correto e o desempenho era dependente da temperatura de operação do reator, pois o gap variava com a temperatura.

[053] Em uma outra modalidade, o compartimento 2 compreende uma saliência que se estende para dentro 43, por exemplo, de um material de revestimento refratário, suportando uma borda inferior da seção de distribuidor de saída de gás D. A saliência que se estende para dentro 43 pode ser adequadamente dimensionada para suportar uma extremidade inferior do cone externo 42, que fornece uma alternativa opcional para pendurar uma seção de distribuidor de saída de gás D inteira a partir de uma parte superior do alojamento 2. Como resultado, a expansão térmica dos componentes da seção de distribuidor de saída de gás D será apenas para cima, o que é uma situação administrável durante a operação do reator 1. Além disso, a saída de gás de síntese 8 é mantida livre de quaisquer elementos de interferência possíveis, como uma construção suspensa de tripé. Esta modalidade também melhora muito a escalabilidade do reator 1.

[054] Em ainda outra modalidade, o material de expansão 45 é provido sobre uma superfície do cone externo 42 direcionado a uma parte superior do alojamento

2. Como a expansão térmica é em uma única direção, esta modalidade permite uma solução simples e eficaz para esta questão de expansão.

[055] Como um elemento opcional, o cone interno 41 compreende uma argola de elevação 46 em um vértice superior do cone interno 41. Se o diâmetro da extremidade inferior do cone interno for escolhido adequadamente, isso permite baixar o cone interno 41 separado do cone externo 42, por exemplo, para limpar o cone externo 42 e o cone interno 41, por exemplo, para remover incrustação excessiva agregada ao longo do tempo durante a operação do reator 1. Como resultado, a seção de distribuidor de saída de gás D pode ser mantida, se necessário, durante uma parada de manutenção, sem a necessidade de remover a seção superior completa do alojamento 2 do reator 1.

[056] Um outro problema que desempenha um papel para este tipo de reatores de gaseificação 1, é a possibilidade de que o cone interno 41 (que é fechado no topo) possa sofrer erosão pelo material do leito e as cinzas sopradas para fora da extremidade superior do riser

3. Para resolver este problema, em uma outra modalidade, o cone interno 41 da seção de distribuidor de saída de gás D está posicionado no reator a uma distância predeterminada de uma borda superior do riser 3. A distância predeterminada é, por exemplo, calculada com base em uma altura de desengate de transporte (TDH) para um reator dimensionado específico e outros parâmetros tais como tipo de matéria-prima, tipo de material de leito, etc. A TDH é o ponto em que partículas arrastadas maiores que causam erosão do distribuidor de saída de gás por gravidade caiam, enquanto partículas menores inofensivas permaneçam arrastadas e juntamente com o gás deixem o reator através do distribuidor de saída de gás.

[057] Note-se que na descrição acima de uma modalidade de reator exemplar, vários recursos são descritos os quais proveem efeitos benéficos na operação do reator. Cada um desses recursos pode ser aplicado isoladamente ou em combinação para prover operação ainda mais aprimorada do reator 1. Um objetivo importante da presente invenção é a prevenção de incrustação/obstrução do projeto de gaseificador existente por assentamento e/ou formação de pontes de materiais inertes e aglomerados. Ao implementar os recursos relacionados à seção de câmara de ar de riser B, o efeito de não ter obstruções na extração de cinzas é alcançado e, além disso, bicos separados para ar de fluidização e ar de inicialização podem ser providos para aumentar a eficiência durante todas as fases de operação do reator 1. Ao implementar os recursos relativos à seção de tubo de bobina de riser E, é possível a fácil remoção da seção de câmara de ar de riser B, por exemplo, para fins de manutenção e/ou limpeza. Eficiência e operação adequada são possibilitadas pelos recursos discutidos em relação aos fundos inclinados no reator 1 e aos bicos de ar 36-38 para obter o primeiro leito fluidizado, visto que todos esses recursos aumentam o direcionamento de materiais inertes e aglomerados para a seção de câmara de ar de riser B. Finalmente, também os recursos relativos à seção de distribuição de saída de gás D melhoram a eficiência e a operação adequada do reator 1, uma vez que a lacuna inclinada com altas velocidades de gás evita assentamento de materiais inertes e aglomerados e, além disso, a fácil remoção pode ser realizada para fins de manutenção e/ou limpeza.

[058] A presente invenção foi descrita acima com referência a uma série de modalidades exemplares, conforme mostrado nos desenhos. Modificações e implementações alternativas de algumas partes ou elementos são possíveis e estão incluídas no escopo de proteção conforme definido nas reivindicações anexas.

Claims (18)

REIVINDICAÇÕES

1. Reator para produzir um gás de síntese a partir de um combustível, compreendendo um alojamento (2) com uma parte de combustão acomodando um primeiro leito fluidizado em operação, um riser (3) se estendendo ao longo de uma direção longitudinal do reator (1) e acomodando um segundo leito fluidizado em operação, um canto inferior (4) posicionado paralelamente ao riser e se estendendo para o primeiro leito fluidizado, e um ou mais canais de alimentação (33) para prover o combustível para o reator (1), em que o reator (1) adicionalmente compreende uma seção de câmara de ar de riser (B) conectada a uma parte inferior do riser (3), a seção de câmara de ar de riser (B) compreendendo uma parede cilíndrica (28) com uma pluralidade de orifícios circunferencialmente localizados (24, 25).

2. Reator, de acordo com a reivindicação 1, em que a seção de câmara de ar de riser (B) compreende duas seções de orifícios de bico, uma seção superior com uma primeira pluralidade de orifícios (25) e uma seção inferior com uma segunda pluralidade de orifícios (24 ), em que uma superfície de abertura total da segunda pluralidade de orifícios (24) é maior do que uma abertura de superfície total da primeira pluralidade de orifícios (25).

3. Reator, de acordo com a reivindicação 2, em que uma câmara de ar de fluidização (27) é provida em comunicação com a primeira pluralidade de orifícios (25).

4. Reator, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, em que uma câmara de ar de inicialização (26) é provida em comunicação com a segunda pluralidade de orifícios (24).

5. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que a seção da câmara de ar de riser (B) adicionalmente compreende material compressível fixado a uma superfície externa do mesmo.

6. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que o reator (1) adicionalmente compreende uma seção de tubo de bobina de riser (E) conectada a uma parte inferior da seção de câmara de ar de riser (B).

7. Reator, de acordo com a reivindicação 6, em que a seção de câmara de ar de riser (B) compreende um flange de montagem superior (22) para conexão ao alojamento (2), e um flange de montagem inferior (23) para conexão a um flange de montagem correspondente da seção de tubo de bobina do riser (E), em que uma altura (h2) da parede cilíndrica (28) que se estende acima do flange de montagem superior (22) é igual ou inferior a uma altura (h1) da seção de tubo de bobina de riser (E).

8. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, o alojamento (2) compreendendo um primeiro fundo inclinado (31) do primeiro leito fluidizado e um segundo fundo inclinado (32) em uma zona de transporte conectando o primeiro leito fluidizado e o segundo leito fluidizado através de uma abertura de transporte (39) no riser (3),

adicionalmente compreendendo múltiplos grupos de bicos de ar (36, 37, 38) no primeiro fundo inclinado (31) e no segundo fundo inclinado (32), os múltiplos grupos de bicos de ar (36, 37, 38) sendo dispostos para direcionar o ar ao longo do respectivo primeiro e segundo fundo inclinado (31, 32).

9. Reator, de acordo com a reivindicação 8, em que os múltiplos grupos de bicos de ar (36, 37, 38) compreendem um primeiro grupo de bicos de ar (36) no primeiro fundo inclinado (31), dos quais os fluxos de bicos são direcionados no centro do reator (1).

10. Reator, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, em que os múltiplos grupos de bicos de ar (36, 37, 38) compreendem um segundo grupo de bicos de ar (37) no primeiro fundo inclinado (31), dos quais os fluxos de bicos são direcionados para a zona de transporte.

11. Reator, de acordo com a reivindicação 8, 9 ou 10, em que os múltiplos grupos de bicos de ar (36, 37, 38) compreendem um terceiro grupo de bicos de ar (38) no segundo fundo inclinado (32), dos quais os fluxos de bicos são direcionados para a abertura de transporte (39) no riser (3).

12. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8-11, em que o primeiro e o segundo fundo inclinado (31, 32) têm um ângulo de inclinação entre 5° - 35°, por exemplo, a 15°, em relação a um plano da seção transversal do reator (1).

13. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, em que a abertura de transporte (39) no riser (3) é provida com uma placa de cobertura.

14. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, adicionalmente compreendendo uma seção de distribuidor de saída de gás (D), a seção de distribuidor de saída de gás (D) compreendendo um cone interno (41) e um cone externo (42), em que o cone interno e externo têm um ângulo de abertura de vértice diferente e formam um canal de saída com seção transversal constante em função da altura da seção de distribuidor de saída de gás (D).

15. Reator, de acordo com a reivindicação 14, em que o alojamento (2) compreende uma saliência que se estende para dentro (43) que suporta uma borda inferior da seção de distribuidor de saída de gás (D).

16. Reator, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, em que o material de expansão (45) é provido em uma superfície do cone externo (42) direcionado a uma parte superior do alojamento (2).

17. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14-16, em que o cone interno (41) compreende uma argola de elevação (46) em um ápice superior do cone interno (41).

18. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14-17, em que o cone interno (41) da seção de distribuidor de saída de gás (D) está posicionado no reator (1) a uma distância predeterminada de uma borda superior do riser (3).