BR122021017230A2

BR122021017230A2 - Processo para decomposição térmica e método para converter termicamente uma matéria-prima

Info

Publication number: BR122021017230A2
Application number: BR122021017230-7A
Authority: BR
Inventors: Earl Decker
Original assignee: Earl Decker
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-11-16
Also published as: PL3928031T3; EP3928031A1; US11584893B2; US20200263093A1; MX2021010079A; EP3928031B1; EP3928031A4; US11098251B2; CA3130625C; CA3130625A1; WO2020168411A1; US20200263100A1; AU2020225085A1; CN113631860A; JP2022521270A; BR112021016561A2

Abstract

processo para decomposição térmica e método para converter termicamente uma matéria-prima. um sistema de reator composto de um único recipiente ou uma pluralidade de seções de recipiente separadas para o processamento de conversão termoquímica avançada de resíduos sólidos urbanos (msw), classificados ou não classificados, e autoclaves especialmente projetadas para processar os resíduos em temperatura adequada e combinações de pressão são descritas. as seções do recipiente podem ser preenchidas individual e separadamente com fardos compactados de msw ou com msw solto selecionado. um método de processamento de msw, classificados ou não classificados, que pode ser realizado por meio do uso de recipientes para conter a matéria-prima residual e autoclaves especialmente projetadas para processar os resíduos em combinações adequadas de temperatura e pressão também é descrito. o sistema de reator pode produzir gás de síntese que tem um valor de btu aprimorado, normalmente entre cerca de 11,2 mj/m3 a 26,1 mj/m3 (300 a 700 btu/ft3). o material residual de resíduos sólidos geralmente corresponde a aproximadamente 5% do volume original de msw. este material pode então ser classificado para metais com o restante sendo enviado para um aterro ou outro processo de reciclagem dependendo de sua composição.

Description

PROCESSO PARA DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA E MÉTODO PARA CONVERTER TERMICAMENTE UMA MATÉRIA-PRIMA

PEDIDO DIVIDIDO DO BR 11 2021016561-4 DEPOSITADO EM 20/02/2020 PEDIDOS RELACIONADOS

[001] O presente pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S. n° 62/807,798, depositado em 20 de fevereiro de 2019, que é incorporado por referência em sua totalidade para todos os fins.

ANTERIORIDADE CAMPO DE INVENÇÃO

[002] A presente invenção se refere a um processo e equipamento para processar resíduos sólidos urbanos classificados e não classificados (doravante “MSW”) para produzir energia, normalmente na forma de eletricidade ou calor. O processo do sistema permite que a quantidade máxima de energia seja retida, hidrocarbonetos sejam direcionados do MSW e gás de síntese com um valor BTU aumentado a ser produzido. Esta invenção fornece processos, métodos e equipamentos para aumentar o valor BTU, ou qualidade, do gás de síntese produzido, bem como reduzir significativamente o volume geral de resíduos. Os resíduos podem ser reduzidos em até 95% do seu volume original e, ao mesmo tempo, reduzir as emissões de gases de efeito estufa em até 95%.

[003] A presente invenção é direcionada a um reator otimizado para decomposição térmica de MSW, particularmente fardos cilíndricos de MSW, e um processo para a conversão termoquímica de MSW em energia.

ANTERIORIDADES DA INVENÇÃO

[004] Existem vários métodos para converter MSW em energia, desde decomposição térmica, degradação térmica, gaseificação, arco de plasma para liquefação. Cada um desses métodos reduz o MSW e produz um gás e/ou calor latente para produzir energia.

[005] A decomposição térmica pode processar MSW não classificado e produzir calor que é usado para operar caldeiras que, por sua vez, operam turbinas para produzir eletricidade

[006] A gaseificação envolve a classificação do MSW, dimensionamento (geralmente, trituração), secagem e reforma do MSW bruto em pellets antes de alimentar a unidade de gaseificação.

[007] A pirólise envolve a classificação para remover materiais inadequados, em seguida, aquecer na ausência de oxigênio, resultando na quebra do MSW em hidrocarbonetos líquidos e gás de síntese.

[008] Infelizmente, o aterro é atualmente o método mais popular de eliminação de resíduos. Este método envolve pouco investimento de capital para simplesmente transportar os resíduos para um local adequado para serem despejados e cobertos. Além disso, os resíduos sólidos urbanos são atualmente um dos maiores produtores individuais do gás de efeito estufa, o metano, de inúmeros aterros sanitários. O gás é gerado a partir de resíduos em decomposição e vaza para a atmosfera continuamente.

[009] Claramente, há uma necessidade de um processo e equipamento para realizar o processo, que irá converter as grandes quantidades de MSW em uma fonte de energia verde, ao mesmo tempo que reduz o volume do MSW.

RESUMO DA INVENÇÃO

[010] A presente invenção é direcionada a um método de processamento de MSW, seja classificado ou não, que pode ser realizado por meio do uso de recipientes para conter a matéria-prima residual e autoclaves especialmente projetadas para processar os resíduos em combinações adequadas de temperatura e pressão. O produto sólido final é uma mistura de cinzas de carbono e materiais não combustíveis, como metais, drywall, etc., e gás de síntese que tem um valor BTU aprimorado, normalmente 11,2 MJ/m3 a 26,1 MJ/m3 (300 a 700 BTU/ft3). O material sólido restante geralmente corresponde a aproximadamente 5% do volume original de MSW. Este material pode então ser classificado para metais com o restante sendo enviado para um aterro ou outro processo de reciclagem dependendo de sua composição.

[011] Além disso, o calor gerado pelo processo pode ser recuperado para aplicações úteis. O calor gerado pode ser transferido para, por exemplo, um sistema de óleo quente. O sistema de óleo quente pode circular o óleo através de dois trocadores de calor: um na câmara de processamento térmico absorvendo calor e um segundo trocador de calor que pode ser um ciclo Rankine orgânico, gerador de vapor, evaporador de água ou outro sistema de aquecimento onde a energia térmica pode ser recuperada e usada para gerar vapor para acionar turbinas de produção de eletricidade.

[012] Também é descrito um recipiente ou reator para a decomposição térmica de resíduos constituídos por uma pluralidade de seções de recipiente, uma estrutura de piso na parte inferior de cada uma da pluralidade de seções de recipiente, um componente de conexão localizado entre quaisquer duas das seções de recipiente e uma abertura de ar aquecido para introdução de ar aquecido localizada na estrutura do piso na parte inferior da pluralidade de seções de recipiente. Em algumas modalidades da presente invenção, o reator pode ser composto de um único recipiente, em vez dos recipientes empilhados, conforme descrito adicionalmente neste documento.

[013] Mais especificamente, o método descrito de converter termicamente uma matéria-prima de resíduos sólidos em energia envolve fornecer uma matéria-prima de resíduos sólidos; fornecer pelo menos um recipiente de retenção; fornecer um recipiente de reator selável tendo uma câmara de ignição de gás inferior e configurado para operar em ambas as condições de corrente ascendente e descendente; colocar a matéria-prima de resíduos sólidos no recipiente de retenção; colocar pelo menos um recipiente de retenção no recipiente do reator selável; vedar o recipiente de reator selável; limpar o recipiente do reator com ar; envolver um queimador de óleo/gás para iniciar o processo de decomposição térmica; fornecer ar aquecido do queimador através de um tubo conectado à porção inferior do recipiente do reator e através da seção de recipiente inferior até que a seção de recipiente alcance uma primeira temperatura desejada variando de 500 a 1000 °C; aumentar a temperatura da matéria-prima de resíduo sólido e a pressão no recipiente do reator para a segunda faixa de temperatura desejada, 400 a 1000 °C, e os segundos níveis de pressão, 27,6 a 1378,9 kPa (4 a 150 psi), respectivamente; ajustar a pressão do recipiente do reator a um terceiro nível de pressão desejado, 137,8 a 689,4 kPa (20 a 100 psi), ajustando a injeção de ar comprimido; injetar água através de bocais de atomização para produzir uma reação de deslocamento de gás de água; continuar a conversão térmica da matéria-prima de resíduo sólido até que a temperatura alcance um quarto intervalo de temperatura desejado de 100 a 1000 °C; injetar água no recipiente de retenção de modo que ela se transforme em vapor e flua para a matéria-prima de resíduos sólidos; injetar água através de bocais maiores no recipiente do reator suficiente para extinguir a conversão térmica da matéria-prima de resíduo sólido e recuperar o gás de processo.

[014] A presente invenção também é direcionada a um processo para decomposição térmica de material residual, fornecer um material residual, pelo menos uma de uma pluralidade de seções de recipiente tendo uma abertura central configurada para aceitar ar aquecido de um aquecedor para reter o material residual, e uma almofada de carbono posicionada entre o ar aquecido e o material residual. A pluralidade de seções de recipiente é então colocada em um recipiente de reação selável, onde o ar aquecido é introduzido através da abertura central para, assim, iniciar a decomposição térmica do material residual, as condições de reação no recipiente de reação são mantidas para decompor termicamente o material residual, então, os resíduos são resfriados com água quando a decomposição térmica está completa, e o gás de síntese é produzido pela decomposição térmica dos resíduos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[015] Os desenhos anexos, que são incluídos para fornecer uma compreensão adicional da invenção e são aqui incorporados e constituem uma parte desta descrição, ilustram modalidades preferidas da invenção e, juntamente com a descrição detalhada, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:

[016] A Fig. 1 é um desenho plano das seções de recipiente de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[017] A Fig. 2 é um esquema geral de uma autoclave e dispositivo de manuseio de gás de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[018] A Fig. 3 é um desenho plano da autoclave e dos recipientes de acordo com uma modalidade da presente invenção, e

[019] A Fig. 4 é um desenho plano de detalhes das seções de recipiente de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[020] De acordo com várias modalidades do método descrito, o processamento em lote de MSW, seja classificado ou não, é realizado através do uso de recipientes para conter a matéria-prima residual e autoclaves especialmente projetadas para processar os resíduos na temperatura e pressão desejadas. Os recipientes também funcionam como isolantes para transportar a maior parte do calor do processo. Gás de síntese com um valor BTU melhorado pode ser produzido pelo método descrito. O produto sólido final é uma mistura de cinzas de carbono e materiais não combustíveis (metais, drywall, etc.). Este sólido equivale a aproximadamente 5% do volume original. O material sólido pode então ser classificado para quaisquer componentes recicláveis possíveis, como metais, com o restante enviado para aterro.

[021] No sistema descrito, o MSW pode ser recebido solto ou enfardado. Em ambos os casos, o material pode ser colocado dentro de recipientes cilíndricos que são então colocados dentro de uma autoclave para serem processados termicamente. Uma característica do sistema descrito é que quando o MSW enfardado é processado, não há necessidade de os fardos serem abertos antes de serem colocados em uma seção de recipiente, isto é, todo o fardo comprimido pode ser colocado na seção de recipiente conforme recebido da enfardadeira. Conforme ilustrado na Fig. 4, o recipiente 400 pode ser composto por uma, duas ou três seções que podem ser empilhadas uma em cima da outra para aumentar a quantidade de MSW processado em uma operação de autoclave. As seções podem ser fixadas umas às outras por um(s) anel(is) de conexão 420. Em alguns casos, o recipiente pode ser um único recipiente unitário 470, que pode ser menor, maior ou do mesmo tamanho que as caixas empilhadas. Cada seção do recipiente pode ser carregada com um fardo de MSW ou MSW solto ou, em alguns casos, uma mistura dos dois e, em seguida, elevada para a autoclave e colocada na posição. As seções do recipiente podem ser empilhadas umas sobre as outras na autoclave.

[022] As várias correntes de alimentação de resíduos que conduzem à enfardadeira podem incluir uma variedade de possíveis componentes separados reciclados ou de resíduos, incluindo resíduos de alimentos, grama e resíduos de jardim, plásticos, borracha, óleo líquido, graxa, lubrificantes ou outros líquidos ou géis contendo hidrocarbonetos.

[023] Em alguns casos, peças de metal de tamanho maior podem ser introduzidas no material a ser enfardado. Uma razão para adicionar as peças de metal é minimizar as zonas mortas dentro do fardo onde o material não se decompõe termicamente com facilidade. Este fenômeno é visto de forma irregular durante o processo descrito atualmente. Embora o mecanismo exato de porque a decomposição não ocorre não tenha sido totalmente desenvolvido, atualmente entende-se que a introdução de espaços vazios pode aumentar a eficiência do processo de decomposição e diminuir as zonas mortas. A adição de peças de metal pode aumentar os espaços vazios, também fornecer pontos quentes e aumentar a condução da energia térmica para resíduos mais densamente compactados.

[024] A EPA (EUA) define amplamente o MSW como contendo "itens de uso diário, como embalagens de produtos, enfeites de quintal, móveis, roupas, garrafas e latas, alimentos, jornais, eletrodomésticos, eletrônicos e baterias”. Fontes típicas de MSW incluem locais residenciais, comerciais e institucionais. Embora a definição da EPA exclua resíduos industriais, perigosos e de construção e demolição, para a presente invenção tais resíduos podem ser incluídos na definição de MSW. Ao manusear certas classes de MSW, devem ser implementadas salvaguardas de manuseio para evitar efeitos colaterais indesejáveis e contaminação decorrente dos resíduos.

[025] As seções do recipiente podem ser separadas por um anel de conexão localizado na parte superior de cada seção. A seção superior pode ser suportada pelo anel de conexão 170 para evitar que as seções comprimam ainda mais o MSW localizado na seção inferior. Os pinos 140 passam através do orifício no anel de conexão 170 e para o orifício correspondente na seção superior do recipiente. A primeira ou mais baixa seção da autoclave estará localizada diretamente acima da câmara do aquecedor a gás. Conforme ilustrado nas Figs. 1A, 1B e 1C, três das seções de recipiente podem ser empilhadas umas sobre as outras para formar uma grande unidade 10. Em algumas modalidades do sistema ensinado, a parte superior da câmara do aquecedor a gás pode ser equipada com uma placa de metal sólida ou anel 450 para permitir que o processo de decomposição térmica seja iniciado e mantido mais facilmente. A placa deve ter um orifício de tamanho apropriado no meio para permitir a ventilação adequada da área do aquecedor a gás. Uma seção de recipiente pode ter um conjunto de grade 410 ou malha de arame 430 em sua porção de extremidade. As propriedades da grade podem variar dependendo das propriedades do MSW contido na seção da caixa. Esta disposição é ilustrada com mais detalhes nas Figs. 1 e 4.

[026] A câmara de ar aquecido localizada no fundo da autoclave pode ser equipada com um defletor de calor de forma cônica que pode ser composto de um metal adequado para suportar as condições, por exemplo, aço inoxidável. O defletor de calor 160 pode ter a forma de um cone estriado, conforme mostrado na Fig. 1 C e F. A seção inferior do recipiente deve estar localizada acima da parte mais alta do defletor de calor para fornecer espaço suficiente da parte inferior do recipiente até o topo do defletor de calor para o processo de conversão térmica para gerar calor e fluxo de ar suficientes para permitir a criação de uma camada térmica no MSW presente nos recipientes.

[027] Como mostrado na Fig. 4, o estágio inferior do recipiente de múltiplos estágios pode ser equipado com um fundo substancialmente fechado 450 com uma abertura central para o ar aquecido a ser introduzido através dele. Em algumas modalidades dos presentes ensinamentos, o fundo do recipiente de estágio inferior pode ser equipado com uma grade ou piso perfurado, 410, 430, para permitir o fluxo de ar. Além disso, o recipiente de estágio inferior pode ter uma estrutura cônica 160 projetando-se para cima a partir da circunferência da abertura central. Uma almofada de carbono pode ser posicionada em torno da estrutura cônica para melhorar o processo de decomposição térmica inicial.

[028] A almofada de carbono pode ser composta principalmente por carvão vegetal. A almofada de carbono (não mostrada) pode ser posicionada ao redor e sobre a estrutura cônica 160 e sobre a estrutura de piso gradeado 430. A almofada de carbono pode ser espessa o suficiente para que o ar aquecido não tenha impacto direto sobre o material de resíduos sólidos durante a inicialização inicial operação do processo de decomposição térmica. Para fins ilustrativos, em alguns casos, a almofada de carbono pode ter 25,4 cm (dez polegadas) ou mais de profundidade. O material residual sólido é termicamente convertido em gás de síntese durante o processo de decomposição térmica descrito e não entra em contato direto com o ar aquecido.

[029] O estágio superior do reator de recipiente de processo de múltiplos estágios pode ter um piso perfurado ou gradeado ou estrutura inferior (ver 110, 130 e 150 da Fig. 1) que deve ser construído de modo que o piso possa suportar o fardo de MSW ou outros materiais nele depositados para serem processados termicamente. A estrutura inferior pode incluir barras de reforço ou suportes em todo o recipiente. Além disso, a estrutura inferior deve ser capaz de suportar qualquer material não processado que permaneça após o processo de decomposição térmica ser interrompido e impedir que eles caiam em uma seção de recipiente de estágio inferior do reator de recipiente.

[030] As seções de recipiente podem ser equipadas com saídas de ar 120 em locais apropriados para controlar a reação térmica dentro do recipiente. Essas saídas de ar podem ser definidas, em alguns casos, para uma abertura desejada antes da inserção dos recipientes cheios na autoclave. Em algumas modalidades dos recipientes, o topo 100 e os respiradouros 120 podem ambos estar presentes independentemente um do outro durante o processo de decomposição térmica.

[031] As seções cilíndricas do recipiente são dimensionadas para acomodar um fardo de tamanho padrão de MSW comprimido, conforme ilustrado na Fig. 5. Esses fardos pesam tipicamente entre 453,6 e 1179,3 kg(1000 a 2600 libras). Os fardos podem ser produzidos em várias dimensões. Normalmente, os fardos têm de 7,6 a 12,7 cm (3 a 5 pés) de altura, mas podem ter até 30,5 cm (12 pés) de altura, o diâmetro do fardo pode ser de cerca de 10,2 a 12,7 cm (4 a 5 pés). O sistema descrito não está limitado a um determinado tamanho ou dimensão do MSW enfardado, mas pode ser dimensionado, maior ou menor, para acomodar o tamanho dos fardos disponíveis. Certas propriedades, como eficiência de conversão ou valor de BTU aumentado do gás, podem ser afetadas pelo tamanho do fardo.

[032] Em algumas modalidades dos presentes ensinamentos, o MSW pode ser enfardado sem separação dos resíduos e, em outras modalidades, os resíduos podem ser separados com base em seu conteúdo BTU. Assim, resíduos de BTU de alta densidade, plásticos e itens contendo borracha, como pneus, podem ser separados de resíduos de BTU de baixa densidade, como jornais, alimentos ou resíduos de jardim. Os itens separados podem ser comprimidos em fardos separados ou, em algumas modalidades, os itens separados podem ser remisturados para obter uma mistura de MSW com um teor de BTU de linha de base médio em cada fardo.

[033] À medida que os vários resíduos são adicionados aos fardos, também podem ser adicionados resíduos líquidos. Resíduos líquidos, como óleos de motor usados ou lubrificantes, podem aumentar o teor de BTU do material enfardado.

[034] A capacidade de carregar separadamente cada seção de recipiente do sistema descrito permite que um ou mais dos recipientes sejam carregados com MSW solto, enquanto outros recipientes podem ser carregados com MSW enfardado. Essa flexibilidade permite que itens maiores sejam processados sem a necessidade de enfardamento. Como mencionado acima, o tamanho da grade ou grade na abertura inferior da seção do recipiente pode ser bastante grande com itens a granel ou grandes e substancialmente menor com um fardo de MSW.

[035] Uma visão geral de uma modalidade dos presentes ensinamentos é fornecida na Fig. 2, com a autoclave 210 contendo os recipientes 10 preenchidos com MSW no lado esquerdo. O ar 200 para a conversão térmica do MSW é adicionado à autoclave e o gás de síntese BTU 220 aprimorado resultante é produzido. O gás de síntese pode então ser misturado, conforme necessário para sustentar a combustão, com um combustível secundário 240, como diesel, gás natural ou propano e ar 230 e, em seguida, queimado em um conjunto de queimador 250 para produzir gás aquecido. O gás aquecido pode então ser enviado através de um trocador de calor 260 para transferir sua energia para um Ciclo Rankine Orgânico ("ORC”) ou caldeira a vapor para produzir eletricidade. O gás aquecido pode então passar por um conjunto de purificação de ar para posterior liberação no meio ambiente.

[036] Todos os componentes dos recipientes cilíndricos podem ser montados de aço inoxidável ou aço de baixo carbono, dependendo dos requisitos estruturais do ambiente. As grades entre as seções dos recipientes podem ser compostas de, por exemplo, aço de baixo carbono, enquanto qualquer malha de arame que separa as seções ou colocada no topo de uma grade pode ser composta de aço inoxidável.

[037] As temperaturas e pressões durante o processo de conversão térmica podem ser monitoradas por meio de sensores de calor e pressão localizados em toda a autoclave. Os sensores podem ser localizados na cúpula superior, nas seções superior, intermediária e inferior do recipiente, na blindagem interna e nas várias linhas de processo que entram e saem da autoclave. Os sensores podem ser instalados usando métodos conhecidos através das paredes da autoclave para permitir medições das condições do reator durante o processo de conversão térmica.

[038] A autoclave de acordo com a presente invenção pode incluir meios para operar em condições de corrente ascendente e descendente. Esses meios incluem portas ou entradas/saídas para ar comprimido ou outro meio fluido adequado localizado, pelo menos, nas porções superior e inferior da autoclave.

[039] Uma possível modalidade da autoclave ou processador MSW descrito é ainda ilustrada na Fig. 3. Como visto nas Figs. 3A e 3B, a autoclave fornece várias entradas e saídas 342, 344, 352, 354, durante o ciclo de conversão térmica com pelo menos uma entrada de ar comprimido 200, 352, pelo menos uma entrada de água atomizada 342, água de resfriamento 344, pelo menos uma saída de controle de contrafluxo 354, pelo menos uma entrada para ar aquecido 360 e pelo menos uma saída para o gás de síntese produzido 220, 360. Na Fig. 3B, a blindagem térmica 346 é fixada à autoclave por pelo menos postes 340, de cerâmica o revestimento 348 pode estar no interior da autoclave e uma placa reflexiva de calor 350 está sob o recipiente. Em algumas modalidades dos presentes ensinamentos, as entradas e saídas para os vários componentes podem ser compartilhadas, ou seja, o componente que se move através de uma abertura particular pode ser variado dependendo do estágio do processo.

[040] As características adicionais da modalidade ilustrada do recipiente de reação incluem mudanças do recipiente do reator descrito na Patente U.S. No. 8,713,582 B1. Essas mudanças incluem, mas não estão limitadas a, uma blindagem térmica menor circunda o recipiente dentro da autoclave de modo que pelo menos uma parte das seções superior e inferior do recipiente esteja localizada fora da blindagem térmica e uma entrada de água atomizada.

[041] Uma modalidade do processo descrito envolve a colocação de uma almofada de carbono no fundo da seção inferior do recipiente para fornecer uma camada entre o gás de ignição e o MSW. O carbono pode ser inflamado pelo ar aquecido e, assim, se transformar em uma camada térmica. Em algumas modalidades do processo, o MSW não entra em contato diretamente com o ar aquecido do aquecedor, mas a almofada de carbono é acesa, o que por sua vez inicia a conversão térmica do MSW. Durante o ciclo de fluxo descendente, a camada térmica ainda continuará para cima através do MSW, enquanto os gases do processo passarão pela camada de carbono. Entende-se que à medida que os gases passam através da camada de carbono, qualquer composto de anel de hidrocarboneto cíclico aromático presente pode ser decomposto.

[042] O MSW não classificado pode então ser carregado em um recipiente que, por sua vez, é colocado na autoclave. Os resíduos podem ser colocados livremente em um recipiente ou fardos comprimidos podem ser colocados nos recipientes. De preferência, os fardos são cilíndricos e dimensionados para caber nos recipientes dos presentes ensinamentos. Os fardos podem ser comprimidos entre 0,69 e 6,9 MPa (100 e 1000 psi).

[043] O processo de conversão de acordo com a presente invenção é uma combinação de gaseificação de corrente ascendente e corrente descendente em uma atmosfera de baixo oxigênio à pressão. O processo começa em um ciclo de inicialização que envolve a abertura da válvula de contrafluxo e, em seguida, a abertura da válvula de gás de ignição e uma válvula de admissão de ar. Este processo produz um efeito Venturi que puxa um vácuo/pressão negativa na linha de contrafluxo.

[044] Um queimador que pode ser alimentado com um ou mais gás natural, propano ou diesel fornece a energia térmica para iniciar a conversão térmica da almofada de carbono. O queimador está localizado na linha de processo e produz ar aquecido que viaja para o fundo da autoclave para acender a almofada de carbono. O queimador de gás/diesel é então acionado até que um sensor de temperatura na linha de contra fluxo atinja a temperatura desejada, normalmente entre 250 e 1000 °C. Em alguns casos, o queimador opera por 5 a 10 minutos, em outros casos, este processo pode durar até 25 minutos e parece ser dependente das variações da matéria-prima. O processo produz uma atmosfera rica em dióxido de carbono que fornece os elementos necessários para uma reação de Boudouard reversa.

[045] Terminado o processo de ignição, fecha-se o Venturi e a válvula de alimentação do queimador, deixando a ventoinha do queimador funcionando. Normalmente, a ventoinha do queimador funciona por cerca de cinco a dez minutos ou até que a temperatura do contrafluxo atinja 250-300 Celsius.

[046] O ciclo de inicialização é concluído quando o queimador é desligado e a válvula do queimador, Venturi, e as válvulas de contrafluxo estão todas fechadas.

[047] A próxima etapa no processo é o processo de atualização que começa com a abertura, em cerca de 5 a 20% aberta, de uma válvula de processo e a válvula de ar comprimido principal também é aberta em cerca de 2 a 20% aberta. O processo de atualização começa a acumular pressão, para cerca de 0,4 a 0,7 MPa (60 a 100 psi), e temperatura, para cerca de 100 a 1000 °C, conforme medido no termopar de processo localizado na linha de processo que sai da autoclave.

[048] Água atomizada pode ser injetada na autoclave durante o processo para controlar a temperatura no termopar de saída de gás de combustão entre cerca de 500 e 1000 °C. A água também é entendida como iniciando uma reação de deslocamento de gás de água que aumenta o valor BTU do gás de síntese produzido. A água pode ser injetada pela parte superior da autoclave e também pelas portas laterais para conter a conversão térmica nas seções inferiores da autoclave.

[049] A etapa de atualização continua mantendo uma temperatura de 100 a 700 °C medida no termopar da linha de processo que está localizado na linha de processo que sai da autoclave.

[050] O processo é então convertido em corrente descendente para completar a decomposição térmica de todo o material no MSW em gases simples. De preferência, o material MSW gera principalmente gases C1 a C4. A operação corrente descendente fornece o benefício adicional de forçar o gás de escape através da camada térmica, que pode quebrar quaisquer moléculas maiores presentes no gás, como anéis de hidrocarbonetos aromáticos.

[051] O processo descrito pode ser continuado até que um ponto final desejado seja alcançado. O ponto final desejado pode ser, mas não está limitado a, o ponto em que a matéria-prima de MSW é i) convertida em cinza, carbono negro, carvão ou carvão vegetal, ou ii) reduzida em massa a um nível igual a aproximadamente 10% ou menos de a massa original da matéria-prima de MSW. A matéria-prima de MSW pode então ser resfriada com vapor. O calor restante da matéria-prima de MSW superaquece o vapor para retirar os hidrocarbonetos e produzir hidrogênio. Após o resfriamento, o recipiente de retenção é então removido do recipiente do reator e as cinzas, minerais, vidro, gesso, carbono e não combustíveis restantes podem ser removidos do recipiente de retenção.

[052] Durante o ciclo de resfriamento, a água é dosada através de bicos de pulverização maiores no topo da autoclave através da blindagem interna ou, em alguns casos, fora da blindagem. Nas temperaturas relativamente altas presentes no reator, a água é transformada em vapor e, assim, fornece uma fonte adicional de hidrogênio. O hidrogênio aumenta o valor de BTU do gás de síntese produzido. Durante a porção de resfriamento do processo descrito, normalmente a quantidade de água utilizada para o resfriamento está dentro da faixa de 18,9 a 189,2 l (5 a 50 galões) de água por duas toneladas de matéria-prima original de MSW.

[053] O gás de síntese produzido a partir da conversão térmica do MSW é então canalizado para uma câmara de combustão separada 250 localizada fora da autoclave 210. O gás de síntese é misturado com ar e queimado para produzir mais energia térmica. A câmara de combustão pode ser equipada com um queimador piloto continuamente aceso, alimentado com gás natural, propano e/ou diesel. O segundo queimador 240 atua como um piloto, bem como um aquecedor de reserva para permitir que a câmara de combustão continue a desenvolver calor. Uma possível modalidade deste sistema de combustão de gás de síntese é ilustrada na Fig. 2.

[054] O calor da combustão do gás de síntese é transferido através de um trocador de calor 260 para um meio fluido adequado 270, 280, como óleo sintético ou água. O meio fluido pode então ser circulado através de um motor térmico (não mostrado), como um motor ORC para produzir eletricidade.

[055] As emissões finais podem ser misturadas com ar fresco, opcionalmente enviadas através de um purificador úmido 262 para reduzir a temperatura, em seguida, resfriadas por um soprador 266 com uma entrada de ar fresco 268, passado por um sistema de filtragem de ar 272, como um Sistema de filtragem Blue Sky e, em seguida, por meio de um filtro HEPA 290.

[056] O processo descrito pode reduzir a pegada de gás de efeito estufa do MSW em 95%.

[057] O processo descrito para a conversão de matéria-prima de MSW em menos de 5% do seu volume original pode ter fluxos de processo reversíveis, permitindo que os gases fluam tanto para cima quanto para baixo. Em outras palavras, a conversão térmica da matéria-prima de MSW pode ser em ambas as direções de fluxo descendente e ascendente.

[058] Um reator para a decomposição térmica de material residual também é ensinado pela presente invenção. O reator pode incluir uma pluralidade de seções de recipiente, uma estrutura de piso na parte inferior de cada uma da pluralidade de seções de recipiente, um componente de conexão localizado entre quaisquer duas das seções de recipiente e uma abertura de ar aquecido para introdução de ar aquecido localizada na estrutura de piso na parte inferior da pluralidade de seções de recipiente.

[059] O presente reator pode ser colocado em uma autoclave adequada para conter a pluralidade de seções de recipiente. Na maioria dos casos, há no máximo três seções de recipiente na autoclave durante uma execução de decomposição térmica; embora o tamanho da autoclave e das seções do recipiente obviamente impactará o número de seções do recipiente presentes.

[060] A seção mais inferior do recipiente pode incluir uma estrutura cônica posicionada centralmente acima da abertura de ar aquecido com uma almofada de carbono posicionada em torno da estrutura cônica configurada para evitar que o ar aquecido entre em contato direto com o material residual. Conforme estabelecido acima, a almofada de carbono pode ser, em algumas modalidades do sistema descrito, com 25,4 cm (dez polegadas) ou mais de espessura. Um dos objetivos da almofada de carbono é evitar o impacto direto do ar aquecido no MSW comprimido ou solto.

[061] Em algumas modalidades, o reator pode ter uma estrutura de piso compreendendo um componente estrutural gradeado configurado para permitir o fluxo de ar e suporte para o material residual. De particular interesse é evitar que o material parcialmente decomposto termicamente de uma seção superior do recipiente caia para dentro e sobre o material residual em uma seção inferior do recipiente.

[062] Para a seção inferior do recipiente da pluralidade de seções do recipiente, a estrutura de piso pode ser uma placa sólida com uma abertura de ar central aquecida e, em alguns casos, um componente estrutural gradeado pode ser localizado acima da placa sólida e seu aquecimento central abertura de ar.

[063] Conforme estabelecido acima, as disposições podem ser feitas para a introdução de ar e água adicionais no reator descrito para controlar o processo de decomposição térmica, assim, pelo menos uma das seções de recipiente pode incluir aberturas para ventilação de gás de processo, ou introdução de componentes da reação.

[064] O processo descrito para decomposição térmica de material residual envolve primeiro o fornecimento de material residual e pelo menos uma de uma pluralidade de seções de recipiente tendo uma abertura central configurada para aceitar ar aquecido de um aquecedor para reter o material residual e uma almofada de carbono como descrito acima. Em alguns casos, uma única seção de recipiente pode ser utilizada no lugar da pluralidade empilhada de seções de recipiente. A próxima etapa é colocar a pluralidade de seções de recipiente em um recipiente de reação selável e introduzir um ar aquecido através da abertura central para, assim, iniciar a decomposição térmica do material residual. Uma vez que a decomposição térmica é iniciada, as condições de reação no recipiente de reação precisam ser mantidas para decompor termicamente o material residual. Quando a decomposição térmica estiver completa, os resíduos podem ser resfriados com água e o gás de síntese é produzido pela decomposição térmica dos resíduos podem ser coletados.

[065] A decomposição térmica ocorre com as condições de reação compreendendo temperaturas que variam de 400 a 850 °C e pressões do recipiente que variam de 27,6 a 1378,9 kPa (4 a 200 psi). Essas condições são mantidas depois que o ar aquecido é extinto e a conversão térmica do material residual é iniciada.

[066] Com os fardos fortemente comprimidos, às vezes, zonas mortas onde a decomposição térmica é limitada, estão presentes. Ao adicionar peças de metal ao material residual, as zonas mortas são diminuídas em locais onde as peças de metal são adicionadas em uma quantidade suficiente para reduzir a quantidade de material residual não decomposto termicamente.

[067] Conforme estabelecido acima, o material residual pode ser fornecido como um fardo cilíndrico de material residual compactado envolvido com um material de proteção para manter o material residual em uma condição comprimida. Em outros casos, o material residual pode ser fornecido como material residual solto. Também é possível ter uma seção de recipiente com um fardo comprimido e outra seção de recipiente com material solto, ou mesmo uma mistura das duas formas em uma seção de recipiente.

[068] Um recipiente de reator selável geralmente adequado para ser usado com o método descrito pode incluir o aparelho geralmente descrito na patente anterior do requerente, Patente US No. 8,715,582 B2, cuja invenção é incorporada aqui por referência em sua totalidade para todos os fins.

[069] Todas as publicações, artigos, papéis, patentes, publicações de patentes e outras referências citadas neste documento são incorporadas neste documento por referência em sua totalidade para todos os fins.

[070] Embora a descrição anterior seja direcionada às modalidades preferidas dos presentes ensinamentos, é notado que outras variações e modificações serão evidentes para aqueles técnicos no assunto e que podem ser feitas sem se afastar do espírito ou escopo dos presentes ensinamentos.

[071] A descrição detalhada anterior das várias modalidades dos presentes ensinamentos foi fornecida para fins de ilustração e descrição. Não se destina a ser exaustivo ou a limitar os presentes ensinamentos às modalidades precisas descritas. Muitas modificações e variações serão evidentes para os técnicos no assunto. As modalidades foram escolhidas e descritas a fim de melhor explicar os princípios dos presentes ensinamentos e sua aplicação prática, permitindo assim que outros técnicos no assunto entendam os presentes ensinamentos para várias modalidades e com várias modificações conforme adequado para o uso específico contemplado. Pretende-se que o escopo dos presentes ensinamentos seja definido pelas seguintes reivindicações e seus equivalentes.

Claims

MÉTODO PARA CONVERTER TERMICAMENTE UMA MATÉRIA-PRIMA de resíduos sólidos em energia, caracterizado por compreender as etapas de:
fornecer uma matéria-prima de resíduos sólidos;
fornecer pelo menos um recipiente de retenção;
fornecer um recipiente de reator selável tendo uma câmara de ar aquecido (200) inferior e configurado para operar em ambas as condições de corrente ascendente e descendente;
colocar a matéria-prima de resíduos sólidos no recipiente de retenção;
colocar pelo menos um recipiente de retenção no recipiente do reator selável;
vedar o recipiente de reator selável;
limpar o recipiente do reator com ar;
acender um queimador de óleo/gás (250) para iniciar o processo de conversão térmica;
fornecer ar aquecido (200) do queimador de óleo/gás (250) através de uma ligação na parte inferior do recipiente do reator através da seção inferior do recipiente de retenção;
continuar a adição de ar aquecido (200) até a temperatura do gás em uma linha de contrafluxo do recipiente do reator atingir uma primeira temperatura desejada de 250 °C;
aumentar a temperatura da matéria-prima de resíduo sólido e a pressão no recipiente do reator para a segunda faixa de temperatura desejada, 400 a 1000 °C, e os segundos níveis de pressão, 27,6 a 1378,9 kPa (4 a 150 psi), respectivamente;
ajustar a pressão do recipiente do reator a um terceiro nivel de pressão desejado, 137,8 a 689,4 kPa (20 a 100 psi), ajustando a injeção de ar comprimido;
injetar água atomizada (342) no recipiente do reator para iniciar a reação de deslocamento de gás de água;
continuar a conversão térmica da matéria-prima de resíduo sólido até que a temperatura alcance um quarto intervalo de temperatura desejado de 100 a 1000 °C;
injetar água no recipiente de retenção de modo que ela se transforme em vapor e flua para a matéria-prima de resíduos sólidos;
injetar água no recipiente do reator usando bocais não-pulverizáveis suficientes para extinguir a conversão térmica da matéria-prima de resíduo sólido, e
recuperar o gás do processo.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa de limpeza ser conduzida na direção de corrente ascendente.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela primeira etapa de injeção ser continuada até que a temperatura do gás de combustão do recipiente do reator mantenha uma temperatura superior a 200 °C.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ar comprimido ser regulado e o terceiro nível de pressão desejado do recipiente do reator variar entre 137,8 e 689,4 kPa (20 e 100 psi).
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela injeção de ar comprimido ser na direção ascendente ou descendente.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo gás de processo da conversão térmica da matéria-prima de resíduo sólido ter fluxo reverso através do recipiente do reator.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ar comprimido ser fornecido a uma taxa constante ou variável.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo aquecedor ser desligado após a conversão térmica da matéria-prima de resíduo sólido ser iniciada.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda
adicionar peças de metal à matéria-prima de resíduos sólidos,
em que as peças de metal são adicionadas em uma quantidade suficiente para reduzir a quantidade de resíduos sólidos não decompostos termicamente.
PROCESSO PARA DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA de material residual, caracterizado por compreender as etapas de:
fornecer resíduos;
fornecer pelo menos uma de uma pluralidade de seções de recipiente (400) tendo uma abertura central configurada para aceitar ar aquecido (200) de um aquecedor para reter o material residual;
colocar a pluralidade de seções de recipiente (400) em um recipiente de reação selável;
fornecer uma almofada de carbono entre o ar aquecido (200) e o material residual;
introduzir ar aquecido (200) através da abertura central para iniciar a decomposição térmica do material residual;
manter as condições de reação no recipiente de reação para decompor termicamente o material residual;
resfriar os materiais residuais com água quando a decomposição térmica estiver completa, e
em que o gás de síntese (220) é produzido pela decomposição térmica do material residual.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelas condições de reação compreenderem temperaturas que variam de 400 a 1000 °C e pressões do recipiente que variam de 27,6 a 1378,9 kPa (4 a 200 psi).
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo ar aquecido (200) ser extinto após a conversão térmica do material residual ser iniciada.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender ainda
adicionar peças de metal ao material residual,
em que as peças de metal são adicionadas em uma quantidade suficiente para reduzir a quantidade de material residual não decomposto termicamente.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo material residual compreender um fardo cilíndrico de material residual compactado envolvido com um material de proteção para manter o material residual em uma condição comprimida.
PROCESSO de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelos resíduos compreenderem resíduos soltos.