BRC20903587E2 - Dispositivo e processo para tratamento térmico de biomassa e resíduos sólidos em múltiplos estágios - Google Patents

Description

DISPOSITIVO E PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS O presente pedido é um certificado de adição ao pedido de patente de invenção PI0903587-7 intitulado “Processo de Pirólise de Biomassa e Resíduos Sólidos em Múltiplos Estágios”. A presente tecnologia refere-se ao processo para tratamento térmico de biomassa e resíduos sólidos de origem municipal, industrial, agrícola ou institucional, incluindo resíduos de serviços de saúde, que tenham material carbonáceo de origem biogênica ou não-biogênica em sua composi9ao, através de um processamento térmico em múltiplos estágios, usando reatores com aquecimento indireto por meio de fluido térmico, promovendo dessa forma a dessor9ao e/ou decomposição térmica do material. O processo pode ser aplicado para torrefação de madeira ou outro tipo de biomassa para obtenção de madeira ou biomassa torrificada; pirólise de madeira ou outro tipo de biomassa para obtenção de carvão vegetal; pirólise de resíduos de origem municipal, industrial, agrícola ou institucional, incluindo resíduos de serviços de saúde, sem restrições quanto às aplicações para o processo; dessorção térmica de substancias presentes em solos, areias e/ou resíduos contaminados com materiais orgânicos como, por exemplo, hidrocarbonetos provenientes de petróleo e seus derivados.

Caracteriza-se o processo pelo em prego do múltiplo estágio. No estágio inicial, que e de caráter opcional, em fun9ao da composi9ao e teor de umidade da biomassa ou do residuo "in natura", e feita a secagem do material em cilindros rotativos, reatores ou vasos providos de aquecimento direto ou indireto utilizando gases de exaustão ou o vapor d'agua proveniente de caldeira ou fornalha, ou outro fluido térmico capaz de provocar o aquecimento da massa e respectiva secagem, reduzindo o teor de umidade a níveis mais adequados para a etapa seguinte. A etapa de secagem pode proporcionar uma melhoria na performance da etapa seguinte, mas não e de todo imprescindível, sendo possível processar também biomassa ou resíduos diretamente na etapa seguinte do processo de tratamento térmico, independentemente do seu teor de umidade.

Após a secagem, os materiais secos, ou, no caso da ausência dela, biomassa ou resíduos "in natura", são carregados em reator de tratamento térmico. Neste estágio, que eo principal processo que constitui o objeto desta proteção, ocorre a torrefação, pirólise ou dessorção térmica propriamente dita, sendo utilizados reatores com aquecimento indireto por meio de fluido térmico, promovendo dessa forma a dessorção e/ou decomposição térmica do material em temperaturas compreendidas na faixa entre 220°C e 500°C, variando de acordo com o material a ser processado e com o objetivo do tratamento. Durante o processo de tratamento térmico ocorrem processos físicos de mudança de fase de substâncias voláteis (dessorção) e as reações químicas que resultam na desnaturação, craqueamento e rompimento de ligações químicas dos polímeros naturais e artificiais, liberando gases e vapores de menor peso molecular, com correspondente abaixamento do teor de sólidos voláteis dos materiais, e aumento do seu teor de sólidos fixos. Como resultado, o processo pode ser conduzido até alcançar a carbonização da matéria orgânica, com correspondente redução de massa e volume do material processado. O processo poderá ocorrer mantendo-se à pressão atmosférica no interior do reator ou sob pressão superior à pressão atmosférica. O processo é endotérmico em sua fase inicial, na qual os materiais processados recebem calor do fluido térmico até atingirem temperaturas nas quais as reações de despolimerização se iniciam, e nestas reações, que podem ser endotérmicas ou exotérmicas, há possibilidade de liberação de entalpia suficiente para a manutenção do processo. Eventualmente, em função das características dos materiais processados, e da presença em maior ou menor proporção de oxigênio, a pirólise pode gerar calor a ponto de elevar a temperatura na massa em níveis superiores à temperatura do fluido térmico, resultando na transferência de calor no sentido inverso, isto é, dos resíduos para o fluido térmico. Prevê-se no sistema um dispositivo de proteção contra o aumento de temperatura em excesso no fluido térmico, desviando o fluxo do fluido térmico para um sistema de troca indireta de calor, que utilizará água como agente de arrefecimento, podendo ser feito o aproveitamento da energia gerada no processo, para gerar energia térmica e/ou elétrica. O circuito de fluido térmico é mantido com as temperaturas necessárias para a manutenção do processo por meio do emprego de uma fonte auxiliar de energia térmica (que pode ser obtida pela queima de óleo combustível, gás natural, cavacos de madeira, ou qualquer outro combustível, ou ainda através da eletricidade como fonte primária para o aquecimento do fluido). O processo térmico de tratamento, que engloba dessorção térmica, torrefação e/ou pirólise, pode ser configurado na forma de um conjunto de vasos atuando em paralelo, operados de forma concatenada, cada um em determinada fase do ciclo completo que envolve a secagem (opcional), pirólise e resfriamento. Os circuitos de fluidos responsáveis pelas trocas de calor (o circuito de vapor, opcional, o de fluido térmico e fluido de resfriamento, também opcional) são então administrados de forma a otimizar as trocas de calor entre os reatores. Por exemplo, o fluido térmico que deixa o reator que está em fase exotérmica encontra-se superaquecido, e pode ser enviado a um reator em fase endotérmica. Dessa forma é possível reduzir o consumo da fonte auxiliar de energia a um valor mínimo, que pode chegar, sob circunstâncias, e em função da natureza dos materiais processados, ao consumo de combustível auxiliar apenas para dar partida ao processo, sendo a planta operada de forma autotérmica ou com geração e exportação de energia.

No caso específico da aplicação do processo para torrefação de madeira, o reator de tratamento térmico deverá ser descarregado e o processo interrompido através do resfriamento do material, quando a fase endotérmica chegar ao final e a fase de decomposição química do processo estiver se iniciando. O produto então deverá ser encaminhado a um reator de resfriamento do material.

Os gases e vapores combustíveis gerados no reator de tratamento térmico e/ou dessorção são encaminhados para um sistema de queima, sendo que esses gases e vapores possuem poder calorífico, sendo a energia liberada na queima desses gases e vapores utilizada para gerar o aquecimento do fluido térmico recirculante. Eventualmente, em função da natureza dos materiais processados, caso os vapores e condensáveis obtidos na fase gasosa estejam sendo gerados em quantidades e com poder calorífico superiores à demanda de energia do processo, pode-se promover a condensação dos vapores obtidos na pirólise. Nesse caso, obtém-se como subproduto do processo as fases líquidas constituídas pelo liquor pirolenhoso (em meio aquoso) ou alcatrão insolúvel (fase orgânica), que podem ser destinados a aplicações econômicas como fontes de energia ou de matérias-primas em processos carboquímicos. Em condições favoráveis, conforme o tipo de material processado, pode o processo ocorrer sem a condensação dos líquidos, mas com a queima dos gases e condensáveis e geração de calor excedente, sendo nesse caso possível acoplar o processo para a geração de energia para ser exportada, na forma de energia térmica ou energia elétrica. Caso necessário ou caso desejado, o reator de tratamento térmico pode receber um fluxo controlado de ar ou gases auxiliares, em quantidades suficientes para promover reações químicas relacionadas à oxidação e gaseificação, de forma a aumentar ou diminuir a liberação de entalpia no próprio reator, favorecendo o gerenciamento da energia térmica liberada no processo, ou de forma a melhorar a composição química dos gases e vapores gerados no reator, favorecendo o uso e aplicação desses gases e vapores nas etapas de aproveitamento desses subprodutos.

Nos casos em que houver a etapa de secagem, os vapores gerados nos vasos de secagem podem também, em função da conveniência, ser encaminhados para o sistema de queima, a fim de eliminar potenciais fontes de lançamentos de contaminantes e/ou odores nos vapores liberados nos vasos de secagem.

No estágio final, que é o resfriamento, o material é transferido para outros vasos, providos ou não com circulação de água, ar, ou qualquer fluido refrigerante, e nesses vasos ocorre a redução de temperatura para que o produto tratado termicamente possa sofrer exposição ao meio ambiente abaixo da faixa de temperatura ignição espontânea. Ao fim do processo, os materiais processados e resfriados são descarregados com, volume e massa reduzidos em relação aos materiais originais.

Outra possibilidade, dependendo do tipo e natureza do resíduo tratado, é que os produtos não necessitem ser resfriados e descarregados, mas submetidos à queima em grelhas ou reatores de combustão, promovendo o aproveitamento do poder calorífico do material carbonizado. Essa queima do produto é mais eficiente e mais controlada do que a queima direta do resíduo “in natura”. Outra possibilidade também é que o resíduo tratado termicamente seja posteriormente submetido a processos de gaseificação térmica, por meio de injeção de agentes gaseificantes, tais como o vapor d’água, ar, ou gás carbônico, sendo então gerados gases combustíveis para uso energético.

No caso do tratamento de resíduos, com resfriamento e descarregamento do produto pirolisado, este produto final resultante apresenta-se inerte frente a processos biodegradação, podendo ser destinado a uma disposição final em aterros em condições mais favorecidas do que os resíduos originais. Ao ser disposto em aterros, o carbono presente no resíduo, poderá ser estocado de forma permanente, resultando em um seqüestro definitivo do carbono. Interrompe-se assim o ciclo biogeoquímico que resultaria em emissões de gases de efeito estufa para a atmosfera, na forma de metano pelo decaimento biológico anaeróbio, ou de gás carbônico, pelo decaimento biológico aeróbio, ou pela oxidação química.

Outras potenciais aplicações dos resíduos tratados termicamente são os processos de beneficiamento e recuperação de materiais (por exemplo, recuperação de metais, vidro, ou outros componentes com valor econômico), uso em processos industriais, como por exemplo em processos metalúrgicos, ou uso como fonte de energia térmica pela queima ou gaseificação e geração de gases combustíveis a partir do resíduo carbonizado.

Na literatura relacionada à pesquisa e desenvolvimento tecnológico encontram-se disponíveis várias patentes e artigos que se referem ao processo de pirólise e dispositivos envolvidos no método, assim como alterações e melhorias relacionadas a ele. Abaixo algumas patentes sobre tratamento térmico são citadas para auxiliar a caracterização do atual estado da técnica. O processo de patente PI0417994-3, intitulado “REATOR E MÉTODO DE PIRÓLISE”, descreve um método contínuo para reciclar através de um laminado metal/orgânico que compreende metal, tal como alumínio, laminado com um material orgânico. O método incorpora um único reator constituído de duas câmaras, ambas com agitadores giratórios e uma camada de material particulado absorvedor de microondas. O processo aplica energia de microondas na primeira câmara para aquecer o material particulado absorvedor de microondas a uma temperatura suficiente para a pirólise do material orgânico no laminado. O pedido PI0204067-0, intitulado “REATOR CONTINUO PARA PIRÓLISE ULTRA RÁPIDA DE BIOMASSA”, refere-se a um equipamento de pirólise ultra-rápida de biomassa, caracterizado por um reator contínuo que difere-se dos demais equipamentos existentes pelas suas características operacionais e de projeto, voltadas para um baixo custo operacional e para a maximização do rendimento da fração líquida (“bio-óleo”), importante fonte de insumos químicos. Consiste num reator com montagem vertical o que permite estabelecer um fluxo descendente do material, dispensando tanto o emprego de mecanismos ou partes móveis internos ao reator quanto à utilização de gases para arraste ou fluidização de leito. O pedido PI0407782-2, intitulado “PROCESSO E DISPOSITIVO PARA PIRÓLISE DE BIOMASSA” descreve a destilação destrutiva de matéria carbonácea sólida com aquecimento indireto, por exemplo, combustão externa com carga estacionária em que a carga é submetida a pressões mecânicas durante a coqueificação, ou a destilação destrutiva, especialmente adaptada a determinadas matérias-primas sólidas de forma especial de material contendo celulose; com ajuda de um elemento de aquecimento e dispositivos para guia de biomassa. Durante a pirólise, o elemento de aquecimento e a biomassa são comprimidos um contra o outro à pressão variável de 5 a 80 bar. A invenção refere-se também a um dispositivo para pirólise de biomassas, que compreende uma entrada de alimentação do material e uma estação de pirolisação. A alimentação de material compreende dispositivos para gerar uma pressão entre 5 bar e 200 bar, comprimindo a matéria-prima a ser pirolisada contra a estação de pirolisação. A estação de pirolisação compreende um elemento de aquecimento, que é aquecido para uma temperatura dentre 300°C e 1000°C em um estado operacional. O pedido PI0106228-0, intitulado “PROCESSO E REATOR PARA PIRÓLISE DE CARGAS RESIDUAIS” que consiste de um reator e um processo de conversão rápida de frações pesadas de hidrocarbonetos em frações mais leves que inibe a formação de subprodutos gasosos e coque. O processo compreende a pirólise rápida de hidrocarbonetos atomizados em atmosfera inerte aquecida e a baixa pressão, sem a necessidade de adição de hidrogênio. A patente também se refere a um reator utilizado no processo, cuja temperatura interna é mantida em níveis mais baixos, o que possibilita o emprego de material de menor valor para a construção do dito reator. O processo citado proporciona conversões de até 30% das frações pesadas e grande redução da temperatura final de ebulição do resíduo, além de redução do CCR e do teor de asfaltenos sem favorecer a formação de coque. Processo para a conversão de compostos asfaltênicos em correntes de menor peso molecular, sem a necessidade da presença de hidrogênio ou doadores de hidrogênio e na ausência de catalisadores. A patente PI0012061-8, sobre o “MÉTODO E APARELHO PARA A PIRÓLISE E GASEIFICAÇAO DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS OU MISTURAS DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS”. Tal processo serve para a pirólise e gaseificação de substâncias orgânicas ou misturas de substâncias orgânicas. As substâncias orgânicas são introduzidas em um reator de secagem e de pirólise em que são postos em contato com o material de leito fluidizado do leito de combustão fluidizado ou em que são postos em contato com o material de leito fluidizado e a parede do reator do leito de combustão fluidizado, em conseqüência do qual ocorre uma secagem e pirólise. O resíduo sólido carbonáceo, opcionalmente com porções do vapor e dos gases de pirólise, e o material de leito fluidizado são conduzidos de volta para dentro do leito de combustão fluidizado em que o resíduo carbonáceo das substâncias orgânicas é incinerado, o material de leito fluidizado é aquecido e é novamente conduzido para dentro do reator de pirólise. O vapor da secagem e dos gases de pirólise é subseqüentemente tratado com substâncias condensáveis em uma zona de reação adicional de tal modo que é obtido um gás produto com elevado poder calorífico. O pedido PI9201202-7, intitulado “PROCESSO E APARELHO PARA A PIRÓLISE DE MATERIAL CARBONÍFERO”, descreve um processo destinado a pirólise de materiais de carbonação tais como madeira que compreende aquecer direta ou indiretamente o material carbonífero com gases de combustão. Quando inicia a carbonização o aquecimento direto é interrompido, ao passo que se continua o aquecimento indireto até a carbonização estar concluída. A patente PI9106714-6, intitulada “MÉTODO E APARELHO PARA PIRÓLISE DE MATERIAIS LIXENTOS” trata de um método e aparelho destinado a pirólise de materiais provenientes do lixo que por si só não é susceptível de ser aquecido por radiação de micro-ondas. O método compreendendo as etapas de: a) Dispor o material lixento, sob uma atmosfera na qual a geração de chama seja substancialmente impedida, com uma base de material pulverizado que compreende carbono na forma elementar, ou com um material que seja capaz de ser pirolisado para carbono elementar por irradiação de micro-ondas, dito material pulverizado sendo susceptível ao aquecimento por irradiação de micro-ondas; b) Aquecer o material pulverizado através de irradiação de micro-ondas de modo que a energia térmica seja transferida do material pulverizado para o material lixento, sendo que o tempo e a intensidade da irradiação é controlado a fim de causar a pirólise substancial desse material, no qual é depositado em uma porção superior da base de material pulverizado de modo a permitir que os resíduos afundem na base, sendo pirolisado dentro da mesma. O aparelho é constituído por um contêiner inerte à radiação de micro-ondas e é capaz de reter uma base de material pulverizado; uma câmara de reação, um conduto para alimentar o material proveniente do lixo a uma parte superior da base de material pulverizado; um gerador de micro-ondas; câmaras de vácuo para controlar a atmosfera na câmara de tal forma que seja evitada a geração de chamas; uma saída para remoção de gases, desenvolvidos na pirólise dos materiais provenientes do lixo, a partir da câmara. O processo ΡΙ8406991-0 intitulado “APARELHO PARA A PIRÓLISE DE MATERIAIS CONTENDO HIDROCARBONETOS”, trata de uma câmara de pirólise que inclui um banho de sal em fusão dividido por um defletor situado na horizontal em uma camada superior e uma camada inferior. Unido a uma extremidade da câmara fica o forno, o qual inclui queimadores sub-merase para aquecerem o sal e para manterem o sal em seu estado de fusão. O sal em fusão flui do forno através da camada de banho superior e de volta ao forno na camada inferior. O material contendo hidrocarboneto é aplicado à camada de banho superior e é pirolisado à medida que se move para a extremidade de descarga da câmara, onde o material gasto é removido e os gases de hidrocarboneto são recuperados por um sistema de escape na câmara. O sal em fusão atua como vedante entre as atmosferas do forno e a câmara de pirólise, e também atua para remover poluentes dos gases de combustão dos queimadores no forno. A patente PI8400355-3, intitulada “APARELHO PARA PIRÓLISE DE MATERIAL EM PARTÍCULAS” descreve um aparelho para pirólise de material em partículas, por um procedimento contínuo, usando partículas como meio de aquecimento em uma câmara de combustão e uma câmara da pirólise arranjada lado a lado e ligada por uma passagem de interligação superior, que se estende entre as câmaras, e uma passagem de retorno. O material em partículas é fluidizado nas câmaras e induzido a circular entre elas, pela configuração das câmaras e passagens e/ou a natureza da fluidização. O material em partículas é aquecido na câmara de combustão e então circula através da passagem superior para aquecer e misturar com o material de carga fresco introduzido na câmara de pirólise, liberando vapores do processo. A patente PI8306082-0 intitulada “PROCESSO PARA PIRÓLISE RÁPIDA DE PRODUTOS LIGNOCELULÓSICOS EM FORMA DE FRAGMENTOS DE PEQUENAS DIMENSÕES E DISPOSITIVO PARA REALIZAÇÃO DE TAL PROCESSO”, descreve um processo de pirólise rápida de produtos lignocelulósicos, mais particularmente de rejeitos florestais, e de um dispositivo para sua realização. Segundo o processo, se efetua uma pirólise rápida dos produtos lignocelulósicos em um leito fluidizado de partículas refratárias quentes. Os produtos da pirólise, constituídos de um resíduo sólido carbonado, de alcatrões e de gás, escapam do leito fluidizado e atravessam uma zona de superaquecimento constituída de um trocador com um reforço, alimentado por uma chuva de partículas refratárias quentes que suprem sua energia calorífica ao leito fluidizado. O resíduo sólido carbonado é depois separado dos produtos gasosos, dos quais uma parte é reciclada para a fluidização, e queimada em um reator de combustão de leito transportado, aquecendo as partículas refratárias que alimentam o trocador de reforço e leito fluidizado. O pedido PI8204142-3 intitulado “PROCESSO E SITEMA DE PIRÓLISE COM RECIRCULAÇÃO DE GÁS QUENTE”. Trata-se de um processo e sistema para a pirólise contínua de carga orgânica produzem um resíduo carbonáceo sólido de volatilidade controlada, de modo que é altamente eficaz quanto ao aproveitamento de energia. O valor do produto gasoso e do óleo pirolítico produzido é também otimizado.

Por fim, a patente PI8201100-1 com o título “PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE ENERGIA POR MEIO DE PIRÓLISE”, que descreve um processo de queima, após trituração, de materiais de refugo tais como papéis, lixo doméstico, borracha, e outros, para a obtenção de combustíveis sólidos, tais como carvão e semelhantes, líquidos, como óleos combustíveis, gasosos assim como metano, butano, propano, os quais podem ser reaproveitados como fontes alternativas de energia.

Embora existam no estado da técnica diversas patentes tratando de pirólise, que é um método conhecido no tratamento de resíduos ou de matérias orgânicas diversas, grande parte refere-se à pirólise de hidrocarbonetos e produtos de origem mineral, xisto betuminoso e derivados do petróleo, biomassa vegetal lenhosa para obtenção do carvão vegetal, pneus. Só uma pequena parte dessas patentes trata, no entanto, de processos de pirólise de resíduos sólidos. A obtenção de energia é um dos objetivos de algumas das tecnologias acima descritas, enquanto que na presente invenção esse não é necessariamente o objetivo primordial, embora, conforme a finalidade do tratamento térmico, a obtenção de energia pode ser também o objetivo final a ser alcançado. Em algumas aplicações, entretanto, o tratamento térmico será realizado como um processo de tratamento ambientalmente seguro e vantajoso de resíduos de origem municipal, industrial, agrícola ou institucional. Por exemplo, os resíduos de serviços de saúde ou o “lixo hospitalar” podem ser tratados através do presente processo visando como propósitos principais: redução de massa e volume do resíduo, facilitando o seu manuseio posterior, transporte, e reduzindo a demanda de espaço para seu destino final em aterros sanitários; inertização e/ou esterilização dos resíduos pela sua conversão em um material carbonáceo não mais passível de processos de biodegradação, e pela destruição térmica de materiais infectantes e/ou biologicamente ativos. O resíduo final obtido após o tratamento térmico poderá ser manuseado e disposto de forma segura, sem riscos de disseminação de qualquer vetor de saúde pública, e sem a lixiviação de compostos químicos para o ambiente através de processos de decomposição biológica da matéria orgânica biodegradável.

Outra vantagem do processo de tratamento de resíduos por torrefação, pirólise e/ou dessorção térmica, se comparada com a incineração, que é outra possibilidade do tratamento térmico de resíduos, se deve ao fato de serem realizadas em uma atmosfera redutora, em deficiência de oxigênio molecular, de forma a prevenir a formação de poluentes organoclorados, especialmente as dibenzodioxinas e dibenzofuranos policlorados, tal como normalmente se forma em processos convencionais de incineração. Também, ao contrário da incineração, o processo térmico de tratamento é empregado de uma forma controlada, em resíduos que são carregados em bateladas em cada vaso reator, de maneira a assegurar para cada material que é admitido no reator a permanência pelo tempo e pela temperatura necessários para garantir a torrefação, pirólise ou dessorção térmica. Assim, é possível o controle e o registro do tempo e temperatura que cada lote de resíduo processado foi exposto no interior do reator, pelo controle individual do tempo de reação e pela medição da temperatura no interior dos reatores, garantindo assim a segurança do tratamento. Evitam-se, portanto, os episódios típicos de descontrole de processo que ocorrem em instalações convencionais de incineração de resíduos, em que os resíduos são descarregados em grelhas de combustão, e nos quais a queima pode ser interrompida ou arrefecida, em função da adição de resíduos de baixa inflamabilidade ou com elevado teor de umidade.

Das tecnologias acima descritas, encontradas nos bancos de patentes, algumas empregam o uso de microondas, outras de sólidos obtidos na combustão em leito fluidizado, outra de sal fundido, e algumas utilizam os próprios gases e vapores gerados no processo de pirólise para a obtenção da energia térmica necessária ao processo, mas nenhum deles utiliza fluido térmico para aquecimento indireto da carga, tal como descrito na presente patente. Outra característica única da presente invenção é a separação em dois ou três estágios do processo. No primeiro estágio (opcional) de desidratação e no segundo estágio de torrefação, pirólise ou dessorção térmica, com temperaturas que podem variar entre 220°C e 500°C, no qual irão ocorrer as mudanças de fase ou reações típicas de dessorção e/ou decomposição térmica do material carbonáceo contido no resíduo em atmosfera com deficiência de oxigênio, os gases combustíveis gerados são encaminhados a um processo de queima que proporcionará a destruição dos compostos orgânicos contidos nos gases e vapores do processo, além de proporcionar um incremento de energia térmica para aquecimento do fluido térmico recirculante, minimizando dessa forma o consumo do combustível auxiliar empregado. O processo térmico de tratamento de biomassa e de resíduos sólidos em múltiplo estágio é apresentado em fluxograma na Figura 1. Os resíduos provenientes da coleta ou da fonte geradora serão recebidos (1) e introduzidos em bateladas, em reatores com aquecimento indireto por fluido térmico, onde ocorrerá a torrefação, pirólise ou dessorção térmica (2). Em casos onde se optar pelo estágio inicial de secagem, os materiais provenientes dos vasos de secagem (1) é que serão alimentados no vaso de tratamento térmico (2). Os reatores podem operar em paralelo, em um número total de vasos suficientes para processar a quantidade de matéria-prima ou resíduos recebidos. Esses reatores constituem-se de cilindros horizontais metálicos, encamisados para serem aquecidos externamente e/ou internamente no eixo com o fluido térmico gerado recirculado em um aquecedor de fluido térmico (3). Os reatores ou vasos de tratamento térmico (2) possuem sistema interno de revolvimento por braços mecânicos de movimento circular, montados em eixo central ao cilindro ou em forma de helicóide, com aquecimento opcional. Os gases gerados no interior desses reatores são encaminhados a fornalha do aquecedor de fluido térmico, a qual opera utilizando combustível auxiliar, através de um combustor, responsável pela manutenção da temperatura à faixa compreendida entre 500°C e 900°C (4). O final do processo de tratamento térmico poderá ser controlado pelo registro das temperaturas alcançadas, pela análise da composição química dos gases gerados, ou por uma chama piloto posicionada na tubulação de exaustão de gases. No caso do tratamento térmico praticado até a pirólise e carbonização, a falta de combustão dos gases gerados no interior do reator (2) indica o final do processo, podendo-se iniciar a descarga do produto tratado termicamente para os vasos de resfriamento (5). O resfriamento do material pirolisado se dá em cilindros horizontais metálicos, encamisados para serem resfriados externamente com água ou outro fluido refrigerante nas camisas dos vasos (5). O fluido refrigerante circula em circuito fechado das camisas dos vasos para um sistema de arrefecimento (6), constituído por um reservatório e por uma torre de resfriamento, interligados a um conjunto moto-bomba, responsável por encaminhar vazão suficiente para a demanda térmica requerida no resfriamento do produto tratado termicamente. Eventualmente, conforme a configuração e capacidade de processamento da planta de pirólise, pode-se optar por vasos de resfriamento não encamisados, expostos ao resfriamento natural, ou por resfriamento a ar. O resfriamento poderá ser feito também por contato direto com a água e/ou gases inertes, em recipientes fechados ou abertos, com captura dos gases e vapores provenientes do apagamento do resíduo quando do resfriamento rápido. O controle de temperatura dos vasos e ou dispositivos de resfriamento determina o ponto em que estes podem ser descarregados, o que ocorre quando a temperatura do material encontra-se inferior a valores em torno de 60°C. Os gases e vapores eventualmente gerados no resfriamento podem também ser dirigidos ao processo de queima que ocorre na fornalha do aquecedor de fluido térmico (4). A descarga do material tratado termicamente dos vasos ou dispositivos de resfriamento é realizada em ambiente local propício (9) para que o produto seja encaminhado ao armazenamento e destino final (10).

Para atendimento aos limites legais para lançamentos de gases na atmosfera, encontram-se propostos sistemas de remoção de partículas do tipo coletores de pó centrífugos multiciclones interligados em série a filtros de tecido ou sistemas de tratamento e/ou purificação de gases (7), para daí os gases serem encaminhados para lançamento e/ou reaproveitamento/secagem (8).

Após o tratamento térmico, os produtos irão conter uma massa inferior aos materiais processados, dependendo do conteúdo orgânico presente nos mesmos. De maneira geral, a perda de massa e redução de volume será tanto maior, quanto maior for o teor de matéria orgânica (biogênica ou não-biogênica) no material inicial, podendo alcançar a perda de massa a valores em torno de 60% a 90% quando pirólise, 30% a 50% quando da torrefação, para o caso de materiais inteiramente orgânicos. No caso da dessorção térmica, a perda de massa depende do teor de orgânicos no material inicial, e da volatilidade desses compostos.

No caso de processamento de resíduos, sem que haja um aproveitamento dos sólidos obtidos como produtos finais, estes poderão ser enviados para a disposição ambiental em aterros sanitários, de uma forma muito mais segura e econômica do que seria a disposição dos resíduos iniciais, pois o resíduo tratado termicamente é inerte do ponto de vista biológico, não sofrendo decomposição microbiológica. Como conseqüência, não irá gerar biogás por decaimento anaeróbico (evitando a formação de metano, que é um gás de efeito estufa), nem haverá formação do chorume ou lixiviado por decomposição biológica. Esse resíduo pirolisado irá conter carbono na forma elementar - semelhante à grafite, e será ainda passível de combustão. Assim, a técnica de aterro mais recomendada deverá ser intercalando camadas do resíduo e camadas inertes, que servirão de proteção contra propagação de chamas. Uma vez dispostos no ambiente, o carbono dos resíduos pirolisados estará permanente seqüestrado, pois não mais será passível de decomposição.

Eventualmente, se os resíduos iniciais forem de origem e composição conhecidos, controlados e adequados, poderá ser obtido um resíduo final pirolisado passível de aplicação energética ou industrial mais vantajosa do ponto de vista econômico do que o processo de aterramento. Neste caso, o resíduo poderá ser submetido a este outro uso, como por exemplo: obtenção de briquete como termo-redutor em fornos de redução metalúrgico/siderúrgico; extração de metais por lixiviação química; combustão direta, com geração de energia térmica e/ou elétrica, gaseificação para gerar gases combustíveis (combustão indireta), ou ainda para utilização como carvão ativo.

No caso de uso do processo para torrefação ou carbonização de biomassa, obtém-se como produto final a biomassa torrificada ou o carvão vegetal, que são produtos de valor comercial e com diversas aplicações.

No caso de uso do processo para dessorção térmica de de solos e/ou areias contaminadas com produtos orgânicos, o processo poderá resultar em obtenção de solos e/ou areias com características que permitam sua reposição no ambiente de origem, ou sua aplicação geotécnica tal como em processos de terraplenagem, ou como camadas inertes em processos de aterramento de resíduos.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - Desenho esquemático de uma unidade para tratamento térmico de resíduos sólidos que emprega o processo de torrefação, pirólise e dessorção térmica de biomassa e/ou resíduos sólidos em múltiplos estágios.

REIVINDICAÇÕES

Claims (17)

1. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, caracterizado por compreender as seguintes etapas: a) Dessorção térmica de substâncias orgânicas, biomassa e resíduos sólidos, ou b) Torrefação de biomassa e resíduos sólidos, ou c) Decomposição termoquímica através de pirólise de biomassa ou resíduos processados; e d) Resfriamento dos resíduos tratados termicamente.

2. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma etapa opcional de secagem e desidratação da biomassa ou dos resíduos sólidos, mediante aplicação de gases de exaustão, de vapor ou um fluido térmico recirculante.

3. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela desidratação ocorrer preferencialmente em vasos de secagem.

4. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a etapa “a” da reivindicação 1, caracterizado pela dessorção térmica ser realizada em reatores de tratamento térmico (2) em uma faixa de temperatura inferior a 400°C..

5. PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a etapa “b” da reivindicação 1, caracterizado pela torrefação ser realizada em reatores de tratamento térmico (2) em uma faixa de temperatura entre 220°C e 300°C

6. PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a etapa “c” da reivindicação 1, caracterizado pela pirólise ser realizada em reatores de tratamento térmico (2) em uma faixa de temperatura entre 250°C e 500°C.

7. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicações 4 a 6, caracterizado por utilizar um fluido térmico recirculante gerado preferencialmente em um aquecedor de fluido térmico (3).

8. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicações 4 a 6, caracterizado pelos reatores de tratamento térmico (2) compreenderem um sistema interno de revolvimento por braços mecânicos de movimento circular, montados em um eixo central ao cilindro.

9. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicações 4 a 6, caracterizado pelos gases gerados no interior dos reatores (2) serem encaminhados a fornalha do aquecedor de fluido térmico (3), a qual opera utilizando combustível auxiliar, através de um combustor (4).

10. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo combustor (4) ser responsável pela manutenção da temperatura no aquecedor de fluido térmico em uma faixa compreendida entre 500°C e 900°C.

11. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a etapa “a” da reivindicação 1, caracterizado por compreender uma chama piloto posicionada na tubulação de exaustão de gases para identificar o final do processo de pirólise e controlar o início da descarga do produto tratado termicamente nos reatores (2) para os vasos de resfriamento (5).

12. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a etapa “a” da reivindicação 1, caracterizado por compreender um sistema de remoção de partículas do tipo coletores de pó centrífugos multiciclones interligados em série a filtros de tecido (7) ou sistemas de tratamento e/ou purificação de gases por via úmida (lavadores) (7), para posterior encaminhamento dos gases ao lançamento à atmosfera ou reaproveitamento (8).

13. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com as etapas “b” ou “c” da reivindicação 1, caracterizado pelos resíduos tratados termicamente serem encaminhados aos vasos de resfriamento (5) para refrigeração a partir de um sistema de arrefecimento (6).

14. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelos resíduos após saírem dos vasos de resfriamento (5) serem despejados em local ambiente propício (9) para que o produto seja encaminhado ao armazenamento e destino final (10).

15. “PROCESSO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS”, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por compreender um sistema de controle de temperatura no interior dos vasos de resfriamento (5) que determina a temperatura em que os resíduos podem ser descarregados em local ambiente propício (9).

16. DISPOSITIVO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS, caracterizado por compreender ambiente para recebimento de resíduos provenientes da coleta ou da fonte geradora ou vaso de secagem (1); reatores constituídos de cilindros horizontais com aquecimento indireto por fluido térmico, revolvido por braços mecânicos de movimento circular, montados em eixo central ao cilindro com aquecimento opcional no eixo (2); aquecedor de fluido térmico (3); combustor ou fornalha do aquecedor de fluido térmico (4); vasos ou dispositivos de resfriamento (5); sistema de arrefecimento (6) constituído por um reservatório e por uma torre de resfriamento, interligados a um conjunto moto-bomba; sistema de tratamento e purificação de gases (7); sistema de lançamento ou reaproveitamento de gases e vapores (8); ambiente propício para descarga de produtos tratados termicamente (9); ambiente propício para armazenamento e destino final (10).

17. DISPOSITIVO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DE BIOMASSA E RESÍDUOS SÓLIDOS EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por compreender o uso de processos de dessorção térmica, pirólise e torrefação.