BR202022015180U2 - Sistema e reator para pirólise contínuo horizontal para produção de carvão vegetal e válvula rotacional composta por uma seção cilíndrica oca, para abastecer o reator com madeira nas dimensões até 400mm - Google Patents
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Abstract
sistema e reator para pirólise contínuo horizontal para produção de carvão vegetal e válvula rotacional composta por uma seção cilíndrica oca, para abastecer o reator com madeira nas dimensões até 400mm. a presente invenção refere-se a um sistema para produção contínua de carvão vegetal com a qualidade definida para aplicação na indústria metalúrgica e em processos de substituição de energia fóssil por renovável. a invenção também se refere a um método de reaproveitamento energético de gases de pirólise para produção contínua de carvão vegetal, sendo parte deste gás destinado a manutenção da pirólise e parte restante aplicável a sistemas de cogeração ou ao uso de energia térmica. esse sistema permite o uso de resíduos lignocelulósicos e/ou florestas permitindo maior aproveitamento da matéria prima, reduzindo o consumo de outras fontes de energia. o sistema também é amigável com o meio ambiente permitindo a recuperação do gás de pirólise e sem emissão de vapores de gases condensáveis produzidos na pirólise. este sistema, pelos benefícios mencionados contempla também a geração de reduções de emissões certificadas e/ou créditos de carbono por meio de sistemas regulados por órgãos governamentais, multilaterais (no âmbito da convenção da onu sobre mudança do clima) ou de sistemas voluntários, seja em nível nacional ou internacional. este sistema permite também de forma compacta reduzir as áreas físicas necessárias a produção de carvão vegetal
Description
[001]. A presente invenção refere-se a um sistema para produção contínua de carvão vegetal com a qualidade definida para aplicação na indústria metalúrgica e em processos de substituição de energia fóssil por renovável. A invenção também se refere a um método de reaproveitamento energético de gases de pirólise para produção contínua de carvão vegetal, sendo parte deste gás destinado a manutenção da pirólise e parte restante aplicável a sistemas de cogeração ou ao uso de energia térmica. Esse sistema permite o uso de resíduos lignocelulósicos e/ou florestas permitindo maior aproveitamento da matéria prima, reduzindo o consumo de outras fontes de energia.
[002]. O projeto diz respeito, ainda, a uma válvula rotacional composta por uma seção cilíndrica oca, que rotaciona em 90° para liberar a passagem da matéria prima lignocelulósica com dimensões até 400mm para o reator.
[003]. Podemos reconhecer reatores para produção contínua de carvão vegetal, a partir dos seguintes documentos: FR2416931, US5584970 e US1739786 e PI0800063-8. A partir disso, o diploma FR2416941 revela um processo de produção contínuo de carvão vegetal em reator de poço de leito móvel, o qual compreende uma chaminé de carregamento H, com seção reduzida, que controla periodicamente o nível de madeira nesse compartimento, de modo a alcançar o constante abastecimento de madeira. Em seguida, observa-se uma cuba C de seção consideravelmente maior, na qual a madeira é progressivamente secada e mais tarde carbonizada sob o efeito do gás quente que advém da seção inferior dessa cuba. Vale ressaltar, que os vapores pirolenhosos são evacuados da cuba através de uma linha de extração e conduzidos para a câmara F, ligada a uma seção abaixo da cuba C. Ainda são injetados simultaneamente à câmara, os gases quentes oriundos de um trocador de calor E. Ocorre que, os produtos gasosos são evacuados pela câmara D, situada, essencialmente, no mesmo nível da câmara F, de forma a se transportar para o espaço ligado ao trocador de calor E. Destaca-se, que abaixo da zona de carbonização da cuba C, encontra- se o compartimento R, responsável pelo resfriamento do carvão. Nota-se, que o resfriamento decorre da reciclagem de gases extraídos desse próprio compartimento pela linha de refrigeração à água, instalada dentro da coluna L, que, ao final, é reinjetado no compartimento
[004]. Observa-se, que o documento US5584970 revela um reator que comporta: uma câmara de carregamento (2); uma zona de preaquecimento (3) para secar a madeira; uma zona de carbonização (4); uma zona de calcinação (5) opcional; e uma zona de resfriamento (6). Constata-se, que entre as diferentes zonas são previstas calhas anulares (28 e 38) em formato cônico, sendo que o gás quente extraído na saída da zona de carbonização circula e é misturado com o gás de exaustão (mais frio) e reinjetado entorno da calha, localizada entre a zona de secagem e a zona de carbonização. Além disso, o gás de resfriamento que alimenta a zona de resfriamento é extraído pela adjacência do cone inferior e passado por um resfriador. Por outro lado, o gás de exaustão contendo elementos combustíveis é recolhido do topo da zona de preaquecimento e, adiante, transportado parcialmente para uma câmara de combustão. Em seguida, antes do descarregamento, o gás tirado dessa câmara é reaproveitado para o preaquecimento do ar em trocadores de calor.
[005]. Particularmente na FR2416931 e em menor escala na US5584970, a zona de carregamento possui uma seção transversal mais reduzida do que a subsequente zona de preaquecimento. Vale destacar ainda, que a zona de carregamento projeta-se parcialmente para dentro da zona de preaquecimento, de modo a formar nessa região uma estrutura de “tubo duplo”. Conforme já exposto por US1739786, essa sobreposição tem a função, de durante a extração dos gases quentes no topo da zona de preaquecimento, afastar o carregamento de madeira da saída dos gases, a fim de evitar a condução de serragem da madeira para a tubulação dos gases e, consequentemente, eliminar a ocorrência de entupimentos, bem como a necessidade de manutenções frequentes.
[006]. A patente PI0800063-8, identicamente, revela um reator vertical para produção contínua de carvão vegetal, cujo objetivo reside em reduzir o arrastamento de serragem com os gases extraídos da zona de preaquecimento, sem alterar substancialmente o formato e dimensões do reator. No entanto, para essa finalidade, a zona de carregamento está disposta de forma excêntrica em relação à zona de secagem, posta na seção de maior área do espaço anelar, formada pelo prolongamento da zona de carregamento para a zona de secagem. O documento PI0800063-8, ainda menciona, que a zona de carregamento tem diâmetro de 2.000mm e a zona de secagem tem diâmetro de 2.500mm, sendo que o eixo geométrico vertical da zona de carregamento está deslocado (D) em aproximadamente 100mm do eixo geométrico vertical da zona de secagem. Dessa forma, a relação entre os diâmetros da zona de carregamento e a zona de secagem é de 0,8.
[007]. Embora essa disposição excêntrica das zonas de carregamento e secagem, ainda com diâmetros de tamanho relativamente próximo, seja eficiente para reduzir o arrastamento de serragem, ela cria uma zona de fluxo preferencial dentro do forno, onde a carbonização é maior. Portanto, isso interfere no perfil térmico de carbonização dentro do forno, o que prejudica seu desempenho.
[009]. A presente invenção tem por objetivo principal a produção de carvão vegetal, através de um sistema e um reator de pirólise contínuo horizontal, que proporciona o emprego de resíduos lignocelulósicos, com controle dos parâmetros do processo de pirólise. O invento, permite que o carvão e o gás de pirólise produzidos, tenham as propriedades físico- químicas aplicáveis a indústria metalúrgica, assim como a substituição de combustíveis fósseis na geração de energia térmica. Este sistema com controle automatizado, obtém um maior rendimento mássico de carvão por massa de madeira, além de maximização de rendimento na indústria metalúrgica e na geração de energia térmica.
[010]. Outro escopo da invenção é, proporcionar, por intermédio dessa tecnologia, o melhor aproveitamento de energia química contida nos gases de pirólise, através da oxidação destes gases síntese em um queimador e câmara de combustão separado do reator. Ademais, esta solução visa elevar a eficiência do reator horizontal de pirólise com a secagem da matéria-prima em um secador rotativo com o uso do calor contido nos gases oxidados da pirólise após estes aquecerem o reator horizontal.
[011]. Vale rememorar, que o invento também se refere a válvula rotacional composta por uma seção cilíndrica oca, que rotaciona em 90° para liberar a passagem da matéria prima lignocelulósica com dimensões até 400mm para o reator.
[012]. Os objetivos da invenção são alcançados por um método de reaproveitamento energético de gases de pirólise para produção contínua de carvão vegetal em um reator que possui uma estrutura horizontal com aquecimento indireto compreendendo, um secador rotativo, um sistema de alimentação do reator que permite o carregamento de matéria prima lignocelulósica com dimensões até 400mm, uma zona de pirólise onde a fornecimento de energia térmica indireta no reator é necessária (fase endotérmica), uma zona de pirólise (exotérmica) onde a produção de carvão vegetal e o gás de síntese são produzidos e um sistema de resfriamento independente. O sistema compreende as etapas de:
[013]. Extrair gás de pirólise do final da zona de pirólise (fase exotérmica) e enviá-lo para o queimador e câmara de combustão. Estes compõem o gerador de gases quentes 10;
[014]. Realizar a combustão da massa de gás em um queimador e câmara de combustão;
[015]. Injetar a massa de gás combusto (oxidado) em uma camisa externa que envolve o reator, revestida com refratário em secções definidas pelas etapas endotérmicas e exotérmicas da pirólise, sem contato com a biomassa;
[016]. Extrair o gás oxidado na camisa que envolve o reator e reinjetar a massa de gás ainda com energia térmica em um secador rotativo com a biomassa em contracorrente, promovendo a secagem desta antes de ser introduzida no reator horizontal.
[017]. Os objetivos da invenção são também alcançados por um sistema para produção contínua de carvão vegetal compreendendo um reator com uma estrutura horizontal compreendendo, em sequência, uma zona de torrificação da biomassa com movimentação no interior do reator definida por aletas de uma espiral diferenciadas para esta etapa da pirólise, uma zona de carbonização definida por aletas de uma espiral diferenciadas para esta etapa da pirólise. O aquecimento indireto e diferenciado destas zonas contínuas do reator é realizado pelo gás de síntese oxidado através de uma camisa externa que envolve o reator.
[018]. O sistema compreende ainda um secador rotativo de biomassa em contracorrente ao gás oxidado aquecido.
[019]. O sistema ainda permite usar o gás de síntese oxidado ou não, que excede a necessidade do sistema, para uso de sua energia química para cogeração e/ou processos onde a energia térmica é necessária.
[020]. O sistema compreende ainda um sistema independente de resfriamento indireto do carvão vegetal. Este sistema compreende uma rosca para o transporte do carvão revestida por uma camisa onde internamente recircula água. Para a produção de carvão em dimensões maiores ou para emprego em fornos ou reatores da indústria metalúrgica, após a rosca, o carvão segue para um leito móvel resfriado indiretamente por água circulante, continuando seu resfriamento e estabilização.
[021]. No sistema de acordo com a invenção, as etapas de carregamento do secador e do reator horizontal permitem o carregamento de peças maiores com até 400mm de biomassa. Este sistema de carregamento possibilita o emprego tanto de resíduos vegetais do agronegócio como a floresta plantada. O conjunto de uma válvula agulha e uma válvula rotativa com construção especializada de uma câmara, permite este carregamento e a produção de carvões de diversas granulometrias.
[022]. A invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de concretização ilustrado nas figuras. As figuras mostram:
[023]. Figura 1 - uma vista esquemática simplificada das diferentes etapas do sistema e do reator horizontal para produção contínua de carvão vegetal, incluindo os equipamentos externos, etapas de carga e de descarga e resfriamento;
[024]. Figura 2 - vista esquemática da rota da biomassa no sistema desde o carregamento até o resfriamento do carvão vegetal;
[025]. Figura 3 - vista esquemática da rota do gás de pirólise e dos gases combusto (gás de pirólise oxidado) até a atmosfera;
[026]. Figura 4 - Croqui lateral do reator horizontal com espiral vazado;
[027]. Figura 5 - Croqui da válvula rotacional composta por semicilindro vazado;
[028]. Figura 6 - Resultados dos testes feitos com os protótipos.
[029]. Conforme ilustrado na figura 1, no processo de produção de carvão vegetal, inicialmente, os resíduos vegetais ou madeira picada ou rachada úmidos seguem para um secador 04 e deste para o reator horizontal 06 que compõem o sistema para produção contínua de carvão vegetal.
[030]. O reator horizontal de pirólise 06 compreende a zona de pirólise, fase endotérmica, e uma zona em seguida de pirólise, fase exotérmica. O fornecimento de energia térmica nestas zonas é realizado através de gases combusto que seguem em tubulações diferentes até uma camisa refratada que envolve o reator.
[031]. O carvão vegetal deixa o reator no final deste, seguindo para o sistema de resfriamento. Neste sistema independente do reator, o carvão segue através de uma rosca 07 resfriada indiretamente por uma camisa que a envolve onde água é recirculada. Para a produção de carvão de resíduos vegetais e com granulometria menor, após a rosca temos o produto final.
[032]. Para a produção de carvões maiores para fins metalúrgicos, uma nova etapa de resfriamento em seguida composta por um leito móvel 08 refrigerado encerra o processo.
[033]. Quando o reator horizontal 06 está carregado e em operação, a biomassa é alimentada na zona de pirólise endotérmica de forma contínua, sendo que o conteúdo do reator 06 é controlado pela velocidade e pelo passo da espiral no interior do mesmo.
[034]. Assim, com a velocidade e passos diferenciados da espiral, é possível controlar-se a velocidade de produção de carvão, as propriedades físico químicas do carvão obtido. Não existindo aberturas de válvulas para descarga e carregamento, obtemos mais estabilidade do reator 06, refletindo em produtos também com menos desvios em suas propriedades, a saber, gás de síntese e carvão vegetal.
[035]. Durante a passagem da biomassa pelo secador rotativo 04, a biomassa perde a umidade e segue aquecida para o reator 06. A temperatura do perfil térmico do reator e o tempo de permanência nas temperaturas das zonas de pirólise endotérmica e exotérmica definem as características físico químicas do carvão.
[036]. No reator horizontal 06 de acordo com a invenção, os gases são extraídos no final deste.
[037]. A temperatura para a pirólise dentro do reator é atingida pela energia contida nos gases combustos que circulam externamente por uma camisa refratada que envolve o reator 06a.
[038]. Os gases produzidos durante a pirólise seguem para o gerador de gases quentes 09. Neste gerador, composto por queimador e câmara de combustão, os gases de pirólise são oxidados e seguem para o aporte térmico do processo. A combustão destes gases é promovida com um excesso de ar atmosférico, acima da condição estequiométrica, assegurada pela medição da vazão de gases produzida e da relação ar/gás controlada no queimador.
[039]. O sistema gera excesso de energia térmica que pode ser empregado em processos que requerem energia térmica e/ou para cogeração.
[040]. Por sua vez, os gases resultantes da combustão saem do gerador de gases quentes 09 através de um duto 10 e seguem para uma camisa refratada 06a que envolve o reator horizontal 06 onde indiretamente aquecem este último. A energia térmica contida nestes gases combustos é responsável pela temperatura final da zona de carbonização e pelo controle do perfil térmico do reator 06. A distribuição dos gases combustos nas etapas da pirólise da madeira permite um melhor perfil térmico para a obtenção do carvão com as características desejadas.
[041]. Os gases após passarem e aquecerem indiretamente o reator 06 seguem pelo duto 11 para o secador 04 para aproveitamento da energia térmica restante. A secagem da madeira garante um aumento na eficiência de conversão da biomassa em carvão e uma redução da umidade do gás de pirólise o que permite uma maior eficiência na recuperação de sua energia química.
[042]. O aquecimento indireto do reator horizontal 06 e a consequente ausência de oxigênio no gás de pirólise produzido faz com que não haja combustão do carvão ou do próprio gás de pirólise no interior do reator, o que permite o controle eficiente do perfil térmico, o maior rendimento em carvão, o controle da qualidade físico-química do carvão produzido e um maior poder calorífico do gás de pirólise.
[043]. O controle da temperatura dos gases combustos que saem do gerador de gases quentes 09 é feito pelo fornecimento do excesso de ar atmosférico aspirados para o interior da câmara de combustão do gerador de gases quentes 09. Este excesso de ar garante o controle da temperatura dos gases enviados para a camisa que envolve o reator e determina o excedente de energia que pode ser enviado para aproveitamento em outros processos.
[044]. Na figura 2 observa-se um sistema de resfriamento independente do reator. Este sistema é composto pela rosca 07 que é resfriada indiretamente por água circulando em uma camisa 07a que a envolve. No final desta rosca temos o final do sistema de produção contínua de carvão quando a biomassa empregada são resíduos vegetais. Para carvões de maior granulometria empregados em processos metalúrgicos, uma segunda etapa com um leito móvel 07a entrega o carvão final.
[045]. A figura 2 mostra o sistema de recirculação em circuito fechado de água 15. Este sistema é responsável pelo resfriamento e estabilização do carvão na rosca 07 e leito móvel 08.
[046]. A figura 4 mostra análise físico químicas de carvões produzidos no sistema e reator horizontal de pirólise contínua.
[047]. A presente invenção alcança, portanto, os objetivos desejados, ao proporcionar um sistema, um reator horizontal para produção contínua de carvão vegetal, e um método de reaproveitamento energético de gás de pirólise com eficiência energética e capazes de produzir carvão com diversas biomassas ou materiais lignocelulósicos.
[048]. O sistema também é amigável com o meio ambiente permitindo a recuperação do gás de pirólise SINGAS e sem emissão de vapores de gases condensáveis produzidos na pirólise.
[049]. Este sistema permite também de forma compacta reduzir as áreas físicas necessárias a produção de carvão vegetal.
[050]. Este sistema pelos benefícios mencionados contempla também a geração de reduções de emissões certificadas e/ou créditos de carbono por meio de sistemas regulados por órgãos governamentais, multilaterais (no âmbito da convenção da ONU sobre mudança do clima) ou de sistemas voluntários, seja em nível nacional ou internacional.
[051]. Tendo sido descrita uma concretização apenas a título de exemplo, deve ser entendido que a presente invenção pode ser realizada de outras formas, sendo seu escopo limitado apenas pelas reivindicações a seguir, aí incluídas as características equivalentes àquelas expressamente definidas.
Claims (11)
1. Caracterizado por um método de reaproveitamento energético de gases de pirólise para produção contínua de carvão vegetal em um reator para pirólise que possui uma estrutura horizontal com aquecimento indireto compreendendo, um secador rotativo, um sistema de alimentação do reator que permite o carregamento de matéria prima lignocelulósica com dimensões de até 400mm, através da válvula rotacional composta por uma seção cilíndrica oca, que rotaciona em 90° para liberar a passagem da matéria prima lignocelulósica de dimensões de até 400mm para o reator, uma zona de pirólise, composto por um reator com espiral vazado, onde o fornecimento de energia térmica indireta no reator é necessário (fase endotérmica), uma zona de pirólise (exotérmica) onde a produção de carvão vegetal e o gás de pirólise síntese são produzidos
2. Caracterizado por um sistema responsável por extrair gás de síntese do final da zona de pirólise (fase exotérmica) e enviá-lo para o queimador e câmara de combustão. Estes compõem o gerador de gases quentes 10
3. Caracterizado por um sistema responsável de realizar a combustão da massa de gás em um queimador e câmara de combustão
4. Caracterizado por um sistema responsável de injetar a massa de gás combusto (oxidado) em uma camisa externa que envolve o reator, revestida com refratário em secções definidas pelas etapas endotérmicas e exotérmicas da pirólise, sem contato com a biomassa
5. Caracterizado por um sistema responsável de extrair o gás oxidado na camisa que envolve o reator e reinjetar a massa de gás ainda com energia térmica em um secador rotativo com a biomassa em contracorrente, promovendo a secagem desta antes de ser introduzida no reator horizontal
6. Caracterizado por um sistema responsável de realizar a pirólise em um reator com uma estrutura horizontal compreendendo, em sequência, uma zona de torrificação da biomassa com movimentação no interior do reator definida por aletas de uma espiral diferenciadas para esta etapa da pirólise, uma zona de carbonização definida por aletas de uma espiral diferenciadas para esta etapa da pirólise. O aquecimento indireto e diferenciado destas zonas contínuas do reator é realizado pelo gás de pirólise oxidado através de uma camisa externa que envolve o reator
7. Caracterizado por um método de que a massa de gás de pirólise gerada no reator horizontal, é oxidada e após a transferência de calor deste gás combusto, realiza-se a pirólise, a ser utilizada para secagem da biomassa que será, posteriormente, carregada no reator horizontal, conforme reivindicação 1
8. Caracterizado por um sistema independente de resfriamento indireto do carvão vegetal. Este sistema compreende uma rosca para o transporte do carvão revestida por uma camisa onde internamente recircula água, conforme reivindicação 1 e 2
9. Caracterizado por um método que para a produção de carvão em dimensões maiores ou para emprego em fornos ou reatores da indústria metalúrgica, após a rosca, o carvão segue para um leito móvel resfriado indiretamente por água circulante, continuando seu resfriamento e estabilização
10. Caracterizado por um sistema de produção contínua de carvão vegetal, em um reator que possui estrutura horizontal com aquecimento indireto, de modo a integrar, um secador rotativo, um sistema de alimentação do reator que permite o carregamento de matéria prima lignocelulósica com dimensões até 400mm, uma zona de pirólise onde a fornecimento de energia térmica indireta no reator é necessária (fase endotérmica), uma zona de pirólise (exotérmica) onde a produção de carvão vegetal e o gás de pirólise são produzidos e um sistema de resfriamento independente, conforme as reinvindicações 1, 2 e 3
11. Caracterizado por um sistema de produção contínua de carvão vegetal em um reator que possui válvula rotacinal 03 e 05 composta por uma seção cilíndrica oca, que rotaciona em 90° para liberar a passagem da matéria prima lignocelulósica com dimensões até 400mm para o reator, que tem um anteparo do mesmo tamanho que a entrada e que a saída da matéria prima, conforme reivindicações 1, 2, 3 e 4, assim como de acordo com a figura 5 e 4.
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