BRPI0607812A2

BRPI0607812A2 - processo para o tratamento de resÍduo e aparelho para realizar o processo

Info

Publication number: BRPI0607812A2
Application number: BRPI0607812-5A
Authority: BR
Inventors: Chris Chapman; David Ovens; David Deegan; Saeed Ismail
Original assignee: Tetronics Ltd
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2010-03-23
Also published as: ATE417229T1; EP2026003A2; IL184279A0; US8109218B2; RS50788B; CN102226527B; KR101355529B1; JP5734230B2; CN101213403B; NZ556254A; JP2008544842A; IL184279A; KR20130061769A; DE602006004211D1; ES2319333T3; EP2264367A2; ME01114B; GB0513299D0; HK1109197A1; US8438983B2

Abstract

PROCESSO PARA O TRATAMENTO DE RESÍDUO E APARELHO PARA REALIZAR O PROCESSO. Um processo para o tratamento de resíduo, o processo compreendendo: (i) (a) uma etapa de gaseificação compreendendo tratar o resíduo em uma unidade de gaseificação na presença de oxigênio e vapor para produzir um gás de saída e um carvão, ou (b) uma etapa de pirólise compreendendo tratar o resíduo em uma unidade de pirólise para produzir um gás de saída e um carvão; e (ii) uma etapa de tratamento de plasma compreendendo submeter o gás de saída e o carvão a um tratamento de plasma em uma unidade de tratamento de plasma na presença de oxigênio e, opcionalmente, vapor.

Description

"PROCESSO PARA O TRATAMENTO DE RESÍDUO E APARELHO PARA REALIZAR O PROCESSO"

Campo Técnico

A presente invenção diz respeito a um processo para tratar resíduo, particularmente resíduo municipal.

Fundamentos da Técnica

O resíduo municipal tradicionalmente foi descartado em terreno de aterro sanitário. Entretanto, os riscos ambientais de fazer desse modo estão tornando-se uma preocupação principal e portanto um esforço foi feito em anos recentes para desenvolver processos de tratamento de resíduo que reduz o volume do material de resíduo e a quantidade de constituintes potencial e ambientalmente perigosos no material tratado.

Processos que foram desenvolvidos para tratar resíduo incluem sistemas de combustão, em que o resíduo é termicamente processado com quantidades estequiométricas ou em excesso de oxigênio. O processo é normalmente realizado em ar. Exemplos de sistemas de combustão incluem: sistemas de combustão de deflagrados pela massa, sistemas de combustão de combustível derivado de resíduo (RDF), em que o RDF é tipicamente queimado em um alimentador automático de fornos de grelha móvel, e combustão de leito fluidificado.

Um outro método de processar o resíduo envolve usar pirólise, isto é pirolisar o resíduo em uma unidade de pirólise. O termo pirólise significa, no campo de tratamento de resíduo, o processamento térmico de resíduo na ausência de oxigênio. No geral processos de pirólise são endotérmicos e assim requerem a entrada de energia térmica para a pirólise continuar. Isto contrasta com a combustão, que é um processo exotérmico, e como tal não requer a entrada adicional de calor uma vez que a combustão foi iniciada. O processo de pirólise convertemuitos dos constituintes orgânicos encontrados no resíduo a frações gasosas, líquidas e sólidas usando uma combinação de reações de craqueamento térmico e de condensação. A pirólise no geral resulta em três produtos: um fluxo de gás, principalmente contendo hidrogênio, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros gases; uma fração líquida contendo um alcatrão ou óleo contendo ácido acético, acetona, metanol, e hidrocarbonetos oxigenados complexos; um carvão, consistindo de carbono quase puro, mais qualquer material originalmente inerte originalmente presente no resíduo sólido. A pirólise é um processo que é usado na produção industrial de carvão de madeira, coque e gás de coque de hulha, e gás combustível e piche de frações de petróleo pesado. Entretanto, seu uso no processamento de resíduo sólido não foi bem sucedido, uma das razões pelas quais é que o sistema requer uma carga de alimentação consistente, que é difícil obter do resíduo municipal.

Um terceiro método para processar resíduo envolve a gaseificação do resíduo. A gaseificação é a combustão parcial de um material, onde o oxigênio na unidade de gaseificação é controlado tal que ele está presente em uma quantidade sub-estequiométrica, em relação ao material de resíduo. A gaseificação de resíduo contendo componentes carbonáceos resultaem um gás combustível inflamável rico em monóxido de carbono, hidrogênio e alguns hidrocarbonetos saturados, principalmente metano. Existem cinco tipos básicos de gaseificador: gaseificador de leito fixo vertical, gaseificador de leito fixo horizontal, gaseificador de leito fluidificado, gaseificador de lareira múltipla e gaseificador de estufa rotativa. Os três primeiros estão no uso mais comum.

A gaseificação, embora sendo moderadamente bem sucedida em queimar a maioria do resíduo, não obstante produz um gás que contém particulados não queimados, espécie de alcatrão de volatilidade baixa e compostos transportados pelo ar. Adicionalmente, embora muito do resíduofosse queimado a um gás ou partículas transportadas pelo ar, o processo de gaseificação ainda freqüentemente resulta em um 'carvão', isto é um material sólido que contém constituintes que não queimarão ou vaporizarão facilmente sob as condições de operação da gaseificação. O carvão comumente contém metal pesado perigoso e espécies orgânicas tóxicas, que devem ser descartadas cuidadosamente, adicionando ao custo do processo de tratamento de resíduo global. Será avaliado que existe um desejo para reduzir a quantidade de resíduo sólido que resulta de um processo de tratamento de resíduo, e também reduz a quantidade de materiais perigosos no resíduo tratado.

Verificou-se também que, se o gás que resulta da gaseificação de resíduo (denominado um 'gás de saída') for usado em um motor a gás ou turbina a gás, os particulados transportados pelo ar e moléculas de hidrocarboneto de alcatrão têm uma tendência obstruir a turbina ou motor a gás. Portanto o gás não é considerado ser suficientemente 'limpo' e mesmo se o gás de saída produzido pela gaseificação devesse ser usado, a turbina requereria limpeza freqüente e manutenção e/ou a introdução de um estágio de limpeza dispendioso adicional para remover os produtos de alcatrão.

Existe portanto um desejo para um processo que superará, ou pelo menos mitigará, alguns ou todos os problemas associados com os métodos da técnica anterior.

Sumário da Invenção

Em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece um processo para o tratamento de resíduo, o processo compreendendo

uma etapa de gaseificação compreendendo tratar o resíduo em uma unidade de gaseificação para produzir um gás de saída e um carvão, e

uma etapa de tratamento de plasma compreendendo submeter o gás de saída e o produto de carvão a um tratamento de plasma em umaunidade de tratamento de plasma. O gás de saída tipicamente conterá partículas sólidas não queimadas e espécies de alcatrão.

O primeiro aspecto pode fornecer um processo para o tratamento de resíduo, o processo compreendendo

(i)ou

(a) uma etapa de gaseificação compreendendo tratar o resíduo em uma unidade de gaseificação na presença de oxigênio e vapor para produzir um gás de saída e um carvão, ou

(b) uma etapa de pirólise compreendendo tratar o resíduo em uma unidade de pirólise para produzir um gás de saída e um carvão; e

(ii) uma etapa de tratamento de plasma compreendendo submeter o gás de saída e o carvão a um tratamento de plasma em uma unidade de tratamento de plasma na presença de oxigênio e, opcionalmente, vapor.

O primeiro aspecto pode fornecer um processo para otratamento de resíduo, o processo compreendendo

(i) submeter o resíduo a digestão microbiana, depois

(ii) ou

(a) uma etapa de gaseificação compreendendo tratar o resíduo 20 microbiologicamente tratado em uma unidade de gaseificação para produzir um gás de saída e um carvão, ou

(b) uma etapa de pirólise compreendendo tratar o resíduo microbiologicamente tratado em uma unidade de pirólise para produzir um gás de saída e um carvão; e

(iii) uma etapa de tratamento de plasma compreendendosubmeter o gás de saída e o carvão a um tratamento de plasma em uma unidade de tratamento de plasma.

Na presença de oxigênio e vapor indica que tanto gás oxigênio quanto vapor estão presentes na unidade de gaseificação e/ou na unidade detratamento de plasma. Outros gases também podem estar presentes. Oxigênio pode ser fornecido como gás oxigênio, em uma mistura de gases (por exemplo ar), e/ou em um composto contendo oxigênio.

"Vapor" inclui água na forma gasosa, vapor e água colocados em suspensão-'em um gás como gotículas. Preferivelmente, o vapor é água tendo uma temperatura de 100°C ou mais. A água, que será convertida a vapor, pode ser introduzida na unidade de gaseificação e/ou unidade de tratamento de plasma na forma de água líquida, uma pulverização de água, que pode ter uma temperatura de 100°C ou menos, ou como vapor tendo uma temperatura de 100°C ou mais; em uso, o calor no interior da unidade de gaseificação e/ou unidade de tratamento de plasma garante que qualquer água líquida, que pode estar na forma de gotículas transportadas pelo ar, é vaporizada a vapor.

O segundo aspecto pode fornecer um aparelho para realizar o processo da presente invenção, o aparelho compreendendo:

(i) uma unidade de gaseificação ou unidade de pirólise e

(ii) uma unidade de tratamento de plasma, em que a unidade de gaseificação tem entradas para oxigênio e vapor e as unidades de tratamento de plasma têm uma entrada para oxigênio e opcionalmente uma entrada para vapor.

(i) uma unidade de digestão microbiana,

(ii) uma unidade de gaseificação ou pirólise, e

(iii) uma unidade de tratamento de plasma.

Características preferidas da presente invenção são descritas nas reivindicações dependentes e na Descrição Detalhada abaixo.

A presente invenção agora será mais descrita. Nas passagens seguintes aspectos diferentes desta invenção são definidos em mais detalhe.Cada aspecto assim definido pode ser combinado com qualquer outro aspecto ou aspectos a menos que claramente indicado ao contrário. Em particular, qualquer característica indicada como sendo preferida ou vantajosa pode ser combinada com qualquer outra característica ou características indicadas como sendo preferidas ou vantajosas.

Breve Descrição das Figuras

As figuras seguintes são fornecidas por via de exemplo e mostram formas de realização não limitantes da presente invenção.

As Figucas l(a) a (c) mostram desenhos esquemáticos de um forno de plasma tendo dois eletrodos em três configurações possíveis.

A Figura 2 mostra uma forma de realização preferida do processo da presente invenção.

A Figura 3 mostra uma forma de realização do aparelho da presente invenção, incluindo um gaseificador de leito fluidizado (1) e um forno de plasma (4).

A Figura 4 mostra em mais detalhe o forno de plasma da figura 3.

A Figura 5 mostra uma outra forma de realização preferida do processo da presente invenção.

Descrição Detalhada

Tendo consideração aos problemas associados com os processos de gaseificação, uma solução proposta considerada pelos inventores presentes foi usar um tratamento de plasma no lugar do tratamento de gaseificação. Os inventores descobriram, entretanto, que a quantidade de energia necessária para gaseificar a fração orgânica do material de resíduo na unidade de plasma foi muito alta e apenas volumes relativamente pequenos de resíduo sólido podem ser tratados em qualquer tempo. Como tal, o tratamento de resíduo não processado usando plasma foi descoberto não ser economicamente viável. Os inventores agoradescobriam, entretanto, que primeiro tratando-se o resíduo em uma unidade de gaseificação, seguido por tratamento em uma unidade de plasma, várias vantagens sobre os processos da técnica anterior podem ser obtidas. Em particular, esta combinação foi descoberta ser surpreendentemente eficiente de energia. Também foi descoberto que a combinação do tratamento de gaseificação e o tratamento de plasma resulta em um gás de síntese relativamente limpo (contendo concentrações muito baixas dos particulados transportados pelo ar), quantidades muito baixas de alcatrão perigoso e espécies de metal pesado e quantidades menores de material sólido no produto de gás limpo.

O tratamento do gás de saída em uma unidade de plasma foi descoberto significantemente reduzir o número de particulados transportados pelo ar e compostos de hidrocarboneto de alcatrão, que têm uma tendência a criar problemas de sujeira se usados em uma turbina. O tratamento do carvão na unidade de plasma foi descoberto converter muito do material de carvão a um gás, e, em particular, um gás que tem um teor relativamente baixo de particulados transportados pelo ar e hidrocarbonetos gasosos de alcatrão, que poderiam obstruir uma turbina. O plasma também tem a vantagem que vários particulados transportados pelo ar ambientalmente nocivos e gases são degradados a espécies menos nocivas durante o processo de plasma.

Preferivelmente, o processo envolve introduzir um material de resíduo, isto é uma carga de alimentação de resíduo, que é substancialmente homogênea à unidade de gaseificação. Isto foi descoberto melhorar a eficiência do processo de tratamento como um todo. A carga de alimentação de resíduo pode ter sido pré tratada para aumentar sua homogeneidade anterior a introdução à unidade de gaseificação. "Homogêneo" indica que o resíduo deve ter uma ou mais propriedades que não variam a uma grande extensão por todo o volume do resíduo ou de lotea lote, se a carga de alimentação de resíduo for alimentada em lotes ao gaseificador; conseqüentemente o valor da propriedade em questão não varia a uma grande extensão visto que o resíduo é alimentado à unidade de gaseificação.

Tais propriedades que preferivelmente não variam a uma grande extensão incluem valor calorífico, o tamanho de constituintes, teor de umidade, teor de cinzas, e densidade do material de resíduo. Preferivelmente uma ou mais destas propriedades variam em 20% ou menos, preferivelmente 15% ou menos, mais preferivelmente 10% ou menos. Preferivelmente, o valor calorífico e o teor de umidade do resíduo sendo alimentado ao gaseificador são relativamente consistentes durante o processo.

A consistência da propriedade/propriedades de interesse pode ser medida tomando-se amostras do mesmo peso de (i) um número dado de lotes da carga de alimentação alimentada ao gaseificador durante um períodode tempo (se a carga de alimentação for alimentada às porções ao gaseificador) ou (ii) em intervalos dados de tempo se a carga de alimentação for alimentada substancial e continuamente ao gaseificador. Métodos de amostra conhecidos à pessoa habilitada podem ser usados para medir a consistência da carga de alimentação de resíduo.

Por exemplo, durante um período de 1 hora de execução doprocesso, o valor calorífico de amostras do resíduo (do mesmo peso, por exemplo, 1 kg ou 10 kg) sendo alimentado ao gaseificador tomado em intervalos regulares (por exemplo, 5 a 10 minutos ou 3 a 4 horas) preferivelmente varia em 20% ou menos, mais preferivelmente 15% oumenos, o mais preferivelmente 10% ou menos. Em uma escala absoluta, a carga de alimentação de resíduo tipicamente tem um valor calorífico médio em torno de 15 MJ/kg, e preferivelmente tem uma variação (+/-) do valor calorífico médio de menos do que 3 MJ/kg, preferivelmente menos do que 1,5 MJ/Kg. O teor de umidade da carga de alimentação de resíduo épreferivelmente tão baixo quanto possível, como debatido em mais detalhe abaixo. O valor calorífico médio da carga de alimentação de resíduo (que pode ser calculado de uma variedade de amostras tomadas em intervalos regulares, como descrito acima) é preferivelmente 11 MJ/Kg ou acima, mais preferivelmente 13 MJ/Kg ou acima, o mais preferivelmente 15 a 17 MJ/Kg.

A carga de alimentação de resíduo, isto é o resíduo alimentado ao gaseificador (que pode compreender combustível derivado de resíduo), preferivelmente tem um teor de umidade de 30% ou menos em peso, preferivelmente 20% ou menos em peso, mais preferivelmente 15% ou menos em peso. O teor de umidade da carga de alimentação de resíduo preferivelmente varia em 10% ou menos, mais preferivelmente em 5% ou menos. O teor de umidade da carga de alimentação de resíduo pode ser controlado usando processos conhecidos àqueles habilitados na técnica, tais como secagem, ou usando-se os processos de digestão microbiana descritos aqui. Teor de umidade típico de combustível derivado de resíduo pode estar na faixa de 20 a 40% em peso. Preferivelmente, o teor de umidade do combustível derivado de resíduo é reduzido às quantidades preferidas para a carga de alimentação de resíduo descrita acima.

O processo pode ainda compreender a etapa de secagem do resíduo antes de seu tratamento na etapa de gaseificação ou pirólise. O resíduo pode ser seco usando-se o calor produzido em qualquer uma das outras etapas do processo, tais como calor das etapas de pirólise, gaseificação e/ou tratamento de plasma. O calor pode ser transferido ao resíduo para os propósitos de secagem contatando-o com ar aquecido ou vapor, que por sua vez pode ter sido aquecido do calor produzido em qualquer uma das outras etapas. O resíduo pode ser seco soprando-se ar aquecido ou vapor sobre ou através do resíduo.A carga de alimentação de resíduo preferivelmente contém uma proporção alta (preferivelmente 85% ou mais do número de partículas, mais preferivelmente 95% ou mais do número de partículas) de partículas tendo um tamanho de partícula de 50 mm ou menos. Um tamanho de partícula é medido através da partícula em sua dimensão maior. Preferivelmente a carga de alimentação contém 50% ou mais (por número) de partículas tendo um tamanho de partícula de 30 mm ou menos.

Uma analise" típica do teor da carga de alimentação de resíduo seria como segue:

Valor calorífico total: 13,2 MJ/Kg

Umidade: 25%

Cinzas: 13,05%

Carbono fixo: 12,17%

Substância volátil: 49,78%

Tamanho de partícula: 85% < 50 mm

Vários processos podem ser usados para homogeneizar várias propriedades do material de resíduo, por exemplo: digestão microbiana, picotamento, desfibramento, secagem, triagem, mistura e combinação. Destes, a digestão microbiana é preferida e este processo é explicado em mais detalhe abaixo.

Um material de resíduo adequado para o uso na etapa de gaseificação foi analisado em duas formas, cada forma tendo um teor de umidade diferente mas de outro modo os mesmos componentes nas mesmas proporções. O material de resíduo contido nos componentes mostrado na Tabela 1 abaixo. A quarta coluna fornece a% em peso dos componentes para cada amostra na ausência de umidade. A unidade de gaseificação é preferivelmente adaptada para gaseificar o resíduo tendo o teor como fornecido na tabela abaixo. A análise elementar (análise final) do resíduo éfornecida na Tabela 2 abaixo.

Tabela 1

<table>table see original document page 12</column></row><table>

Um material de resíduo que foi termicamente seco pode ter um teor de umidade na faixa de 10 a 16% em peso de cerca de 12% ou menos: a forma I acima do resíduo portanto é representativa do resíduo termicamente seco. Um material de resíduo que foi seco por um assim chamado 'MBT' (Tratamento Biológico Mecânico, tal como digestão aeróbica rotativa) pode ter um teor de umidade de cerca de 25% ou menos: a forma I acima portanto é representativa do resíduo que foi submetido ao MBT.

Tabela 2

(Análise final do resíduo da Tabela 1 contendo 25% de umidade em peso)

<table>table see original document page 12</column></row><table>As quantidades elementares de H e O na Tabela 2 são dos componentes teoricamente secos.

O processo de acordo com a presente invenção compreende uma etapa de gaseificação. A etapa de gaseificação, por exemplo, pode ser realizada em um leito fixo vertical (eixo) gaseificador, um gaseificador de leito fixo horizontal, um gaseificador de leito fluidificado, um gaseificador de lareira múltipla ou um gaseificador de estufa rotativa.

Deve ser observado que um gaseificador de leito fixo horizontal pode de outro modo ser referido na técnica anterior como um combustor de ar subalimentado (incinerador), combustor de ar controlado, combustor pirolítico, ou uma unidade de combustão modular (MCU).

Um gaseificador de leito fixo horizontal no geral compreende duas seções: uma câmara de combustão primária e uma câmara de combustão secundária. Na câmara primária, o resíduo é gaseificado por combustão parcial sob condições sub-estequiométricas, produzindo gás calorífico baixo, que depois flui na câmara de combustão secundária, onde ele é queimado com ar em excesso. A combustão secundária produz gases de temperatura alta (650 a 870°C) de combustão completa, que podem ser usados para produzir vapor ou água quente em uma caldeira de resíduo opcionalmente ligada. Velocidade e turbulência mais baixa na câmara de combustão primária minimizam o arrasto de particulados na corrente de gás, levando a emissões de particulados mais baixas do que combustores de ar em excesso convencionais.

Preferivelmente, a etapa de gaseificação é realizada em uma unidade de gaseificação de leito fluidizado. A gaseificação de leito fluidizado foi descoberta processar a carga de alimentação de resíduo mais eficientemente do que os outros processos de gaseificação disponíveis. A técnica de leito fluidizado permite contato muito eficiente das correntes de alimentação de oxidante e resíduo levando a taxas de gaseificação rápidas e controle de temperatura limitado dentro da unidade.Uma unidade de gaseificação de leito fluidizado típica pode compreender um cilindro de aço vertical, usualmente revestido com refratário, com um leito de areia, um placa da grade de suporte e bocais de injeção de ar conhecidos como alcaravizes. Quando ar é forçado a subida através dos alcaravizes, o leito fluidiza e expande-se até duas vezes seu volume restante. Combustíveis sólidos tais como hulha ou combustível derivado de resíduo, ou no caso da presente invenção, a carga de alimentação de resíduo, podem ser introduzidos, possivelmente por meio de injeção, no reator abaixo ou acima do nível do leito fluidificado. A ação de "fervura" do leito fluidificado promove turbulência e transfere calor à carga de alimentação de resíduo. Em operação, combustível auxiliar (gás natural ou óleo combustível) é usado para levar o leito até a temperatura de operação de 550°C a 950°C, preferivelmente 650°C a 850°C. Depois do início, o combustível auxiliar usualmente não é necessário.

Preferivelmente a unidade de gaseificação, o maispreferivelmente a unidade de gaseificação de leito fluidizado, será um vaso cilíndrico, vertical, que é preferivelmente revestido com um material refratário apropriado, preferivelmente compreendendo silicato de alumina.

Em uma unidade de gaseificação de leito fluidizado, adistância entre a superfície efetiva formada pelas partículas do leito fluidizado quando fluido (isto é quando o gás está sendo alimentado através das partículas abaixo) e o topo da unidade é chamado a "altura do painel livre". Na presente invenção, a altura do painel livre, em uso, preferivelmente será de 2,5 a 5,0 (mais preferivelmente 3,5 a 5,0) vezes o diâmetro interno da unidade. Esta configuração geométrica do vaso é designada a permitir tempo de residência adequado do resíduo dentro do leito fluidizado para conduzir as reações de gaseificação à conclusão e também para impedir o transporte excessivo de particulados na unidade de plasma. A unidade de gaseificação preferivelmente utilizará um leito aquecido de partículas de cerâmicacolocadas em suspensão (fluidizadas) dentro de uma coluna ascendente de gás. As partículas podem ser semelhantes à areia. As partículas podem compreender oxido de silício.

Preferivelmente, o resíduo será alimentado continuamente à unidade de gaseificação em uma taxa controlada. Se a unidade de gaseificação for uma unidade de gaseificação de leito fluidizado, preferivelmente o resíduo "é alimentado diretamente no leito ou acima do leito.

Preferivelmente, a alimentação do resíduo será transferida à unidade do gaseificador usando um sistema transportador de rosca, que permite adição contínua de resíduo. O sistema de alimentação do resíduo pode incorporar um dispositivo de trava a ar, tal que o resíduo pode ser alimentado na unidade de gaseificação através do dispositivo de trava a ar para impedir que o ar entre ou gás saia para/do interior da unidade do gaseificador. O resíduo é preferivelmente alimentado através do dispositivo de trava a ar com purga de gás inerte adicional. Dispositivos de trava a ar são conhecidos à pessoa habilitada.

Durante o processo de gaseificação, a unidade de gaseificação deve ser selada do ambiente adjacente para impedir entrada e saída de gases para/da unidade de gaseificação, com a quantidade de oxigênio e/ou vapor sendo introduzidos à unidade de gaseificação conforme necessário em uma maneira controlada.

Se a unidade de gaseificação for uma unidade de gaseificação de leito fluidizado, preferivelmente oxidantes compreendendo oxigênio e vapor são alimentados abaixo do leito, que pode ser através de uma série de bocais de distribuição faceando a montante.

Preferivelmente, a gaseificação é realizada na presença de vapor e oxigênio. Como mencionado acima, água, que será convertida a vapor, pode ser introduzida na unidade de gaseificação na forma de água líquida, uma pulverização de água, que pode ter uma temperatura de 100°Cou menos, ou como vapor tendo uma temperatura de 100°C ou mais. Em uso, o calor no interior da unidade de gaseificação garante que qualquer água líquida, que pode estar na forma de gotículas transportadas pelo ar, é vaporizada ao vapor. Preferivelmente o vapor e oxigênio serão rigorosamente medidos à unidade e a taxa de alimentação do resíduo ajustada para garantir que o gaseificador opere dentro de um regime aceitável. A quantidade de oxigênio e vapor introduzida à unidade de gaseificação em relação à quantidade de resíduo dependerá de vários fatores incluindo a composição da alimentação do resíduo, seu teor de umidade e valor calorífico.

Preferivelmente, a quantidade de oxigênio introduzida à unidade de gaseificação durante a etapa de gaseificação é de 300 a 350 kg por 1000 kg de resíduo alimentado à unidade de gaseificação. Preferivelmente, a quantidade de vapor introduzida à unidade de gaseificação é de 0 a 350 kg por 1000 kg de resíduo introduzido à unidade de gaseificação, opcionalmente de 90 a 300 kg por 1000 kg de resíduo ou 120 a 300 kg por 1000 kg de resíduo, o mais preferivelmente 300 a 350 kg de resíduo, se o resíduo contém menos do que 20% (opcionalmente menos do que 18%) em peso de umidade. Se o resíduo contém 20% ou mais (opcionalmente mais do que 18%) em peso de umidade, preferivelmente a quantidade de vapor introduzida à unidade de gaseificação é de 0 a 150 kg por 1000 kg de resíduo. Quantidades de adição típicas de oxidantes de oxigênio e vapor para o resíduo fornecido acima na Tabela 1 são fornecidos abaixo na Tabela 2.

A unidade de gaseificação preferivelmente compreenderá um sistema de pré aquecimento de leito subjacente abastecido com combustível fóssil, que preferivelmente será usado para elevar a temperatura do leito antes do começo da alimentação da unidade.

Preferivelmente a unidade de gaseificação compreenderá sensores de pressão e temperatura múltiplos para monitorar rigorosamente a operação de gaseificação.Para o material de resíduo tendo a composição dada na Tabela 1 (contendo 12% ou 25% de água), a taxa de adição de oxigênio e vapor preferivelmente estará na faixa como indicado na Tabela 2 abaixo.

Tabela 2: Quantidades de adição relativas típicas de oxidantes de oxigênio e vapor

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*Com base na composição da alimentação do resíduo (ocombustível derivado de resíduo) fornecida na Tabela 1

Preferivelmente o resíduo será gaseificado na unidade de gaseificação em uma temperatura maior do que 650°C, mais preferivelmente em uma temperatura maior do que 650°C até uma temperatura de 1000°C, o mais preferivelmente em uma temperatura de 800°C a 950°C. Se um gaseificador de leito fluidizado for utilizado na presente invenção, preferivelmente a temperatura do leito é mantida na faixa de 650 a 900°C, mais preferivelmente na faixa de 750 a 950°C e o mais preferivelmente na faixa de 800 a 850°C; isto é no geral adequado para todos os resíduos que não têm um teor de potassa alto e nenhuma aglomeração (sinterização) das partículas do leito fluidizado é observado.

A temperatura máxima que pode ser utilizada no leito fluidificado de uma unidade de gaseificação fluidificada é dependente da composição do teor de cinzas do combustível que é tratado. Em particular, algum materiais de biomassa são alta em potassa, soda e outras espécies que formam eutéticos de ponto de fusão baixo. Para este resíduo contendo um ou mais destes materiais, é especialmente importante garantir que a temperatura do leito seja mantida abaixo da temperatura de sinterização da cinzas dentrodo resíduo (que pode ser tão baixa quanto ~ 650°C em certos casos) para evitar a coagulação das partículas do leito flüidizado. A temperatura do leito fluidificado pode ser mantida controlando-se a quantidade de oxidante alimentada ao gaseificador em relação à quantidade do combustível sólido.

No gaseificador de leito flüidizado, preferivelmente a zona acima do leito flüidizado (algumas vezes denominado o bordo livre) pode ser uma temperatura mais alta do que o leito flüidizado. A temperatura da zona acima do leito flüidizado está preferivelmente na faixa de 800 a 1000°C.

Sistemas de gaseificação de leito flüidizado são muito versáteis e podem ser operados em uma variedade ampla de combustíveis, incluindo resíduo municipal, lama, materiais de biomassa, hulha e resíduos químicos numerosos. A etapa de gaseificação do processo da presente invenção pode compreender usar um meio de leito adequado tal como pedra calcária (CaCC>3), ou, preferivelmente, areia. Durante a operação, o material de leito original pode ser consumido, e pode ser substituído por material de cinzas graduado reciclado (Carvão) do estágio de gaseificação.

Preferivelmente, a unidade de gaseificação e a unidade de tratamento de plasma são integradas e tipicamente estarão em conexão fluida. 'Conexão fluida' indica que um conduto é fornecido para transportar os produtos da unidade de gaseificação à unidade de tratamento de plasma. Preferivelmente, o processo total é um processo integrado, em que todas as etapas são realizadas em uma posição e meios são fornecidos para transportar os produtos de cada etapa à seguinte. Cada etapa é preferivelmente realizada em uma unidade separada. Em particular, a gaseificação e o tratamento de plasma são preferivelmente realizados em unidades separadas, para permitir que as condições em cada unidade sejam variadas independentemente. Preferivelmente, meios são fornecidos para transportar os produtos da etapa de gaseificação da unidade de gaseificação à unidade de tratamento de plasma.Pirólise, como um processo, e unidades de pirólise são convencionais e conhecidas àqueles habilitados na técnica e estão comercialmente disponíveis.

Em uma forma de realização alternativa, o tratamento de plasma pode ser conduzido em duas unidades para separadamente tratar o carvão sólido e as correntes isentas de gás do gaseificador.

O processo de acordo com a presente invenção compreende uma etapa de tratamento de plasma. Preferivelmente, o tratamento de plasma é realizado na presença de um oxidante. Preferivelmente, a quantidade de oxidante é controlada. Mais preferivelmente, a quantidade de oxidante é controlada tal que os hidrocarbonetos gasosos (incluindo produtos de alcatrão, de volatilidade baixa), os particulados de carbono transportados pelo ar, carbono contido no carvão e parte do monóxido de carbono é convertido a monóxido de carbono e dióxido de carbono, preferivelmente tal que a razão do CO/C02 depois do estágio do tratamento de plasma é igual ou maior do que o gás que sai da unidade do gaseificador. Preferivelmente, o tratamento de plasma é realizado no carvão até que substancialmente todo o teor de carbono no carvão fosse convertido ao gás ou espécies transportadas pelo ar.

Preferivelmente, o oxidante é oxigênio ou oxigênio e vapor.

Preferivelmente, o tratamento de plasma é realizado napresença de oxigênio e vapor. Como mencionado acima, água, que será convertida a vapor, pode ser introduzida na unidade de tratamento de plasma na forma de água líquida, uma pulverização de água, que pode ter uma temperatura de 100°C ou menos, ou como vapor tendo uma temperatura de 100°C ou mais. Em uso, o calor no interior da unidade de gaseificação e/ou unidade de tratamento de plasma garante que qualquer água líquida, que pode estar na forma de gotículas transportadas pelo ar é vaporizada a vapor.

Preferivelmente, a razão de oxigênio para vapor é de 10:1 a 2:5, em peso. Preferivelmente, o tratamento de plasma do resíduo é realizadoem uma temperatura de 1100 a 1700°C, preferivelmente de 1100 a 1600°C, mais preferivelmente de 1200 a 1500°C.

A unidade de plasma em operação no geral conterá uma fase de fusão. A temperatura da fase de fusão na unidade de plasma preferivelmente será 1150 °C ou mais, preferivelmente de 1150 °C a 1600°C.

Preferivelmente, a quantidade de oxigênio introduzida à unidade de plasma para cada 1000 kg de resíduo inicialmente introduzido na unidade de gaseificação é de 15 a 100 kg, preferivelmente de 25 a 80 kg. Preferivelmente, a quantidade de vapor introduzida à unidade de plasma para cada 1000 kg de resíduo inicialmente introduzido no gaseificador é de 0 a 50 kg, preferivelmente 0 a 30 kg.

Para o material de resíduo tendo a composição fornecida na Tabela 1 (contendo 12% ou 25% de água), a taxa de adição de oxigênio e vapor ao conversor de plasma preferivelmente estará na faixa como indicado na Tabela 3 abaixo.

Tabela 3: Quantidades de adição relativas típicas de oxidantes de oxigênio e vapor à unidade conversora de plasma

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*Com base na composição de alimentação do resíduo (o combustível derivado de resíduo) dado na Tabela 1

Preferivelmente, o tratamento de plasma do resíduo é realizado na presença de um gás de estabilização de plasma. Preferivelmente, o gás de estabilização de plasma é selecionado de um ou mais de nitrogênio, argônio, hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e vapor.

Preferivelmente, água, que será convertida em vapor, éintroduzida na unidade de tratamento de plasma na forma de umapulverização de água tendo uma temperatura abaixo de 100 °C. Existem duasvantagens principais de fazer desse modo: primeiramente, a água napulverização tem o efeito de esfriar o gás de síntese produzido na unidade deplasma devido a promoção da reação endotérmica de água com carbono (paraproduzir hidrogênio e monóxido de carbono). Secundariamente, a entalpiaquímica global do gás de síntese-produzido é aumentada, permitindo umaexportação maior de energia elétrica se o gás for usado para gerareletricidade, (isto é, fornecendo uma melhora na eficiência de conversãoelétrica da rede global).

A etapa de tratamento de plasma fornecerá uma via de descartesegura para resíduos produzidos pelo processo tais como um gás decombustão que limpa resíduos.

O resíduo pode conter constituintes, que contêm compostos eelementos perigosos, tais como metais pesados, que são ambientalmenteprejudiciais se transportados pelo ar. Estes podem ser denominados resíduosde APC (Controle de Poluição do Ar) e podem estar presentes no resíduo a sertratado em uma quantidade de ~ 0,2% em peso. Visto que estes resíduospodem ser contaminados com metais pesados tais como chumbo, zinco ecádmio, eles serão classificados como perigosos. Preferivelmente, o processoda presente invenção compreende ainda a inclusão de materiais inorgânicosperigosos, tais como metais pesados e compostos contendo metais pesados, nafase de escória do plasma. Isto capturará os materiais perigosos em umaescória não lixiviável inerte como um resíduo inerte, assim fornecendo umasolução a longo prazo para o problema de descarte para estes materiais.

O processo pode compreender ainda adição de um ou maisagentes fundentes tais como cal, alumina ou areia de sílica à unidade deplasma antes ou durante o tratamento de plasma do gás de saída e carvão. Avantagem de adicionar um agente fundente é que em certas situações, elegarantiria que uma escória de ponto de fusão baixo, de viscosidade baixafosse produzida dos materiais não inflamáveis, inorgânicos. Um agentefundente tal como areia de sílica, alumina ou cal também pode ser usado paraimobilizar espécies de metal pesado. Estes agentes fundentes sãopreferivelmente adicionados ao carvão antes da introdução do carvão àunidade de plasma, e se o processo for um processo contínuo, as adiçõespodem ser feitas à corrente de carvão.

O rendimento e química dos reagentes do gás e carvão queentram na unidade de plasma são preferivelmente mantidos sob condições deestado estacionário. Isto deve ser obtenível pelo controle fechado do sistemade preparação de alimentação e gaseificador primário a montante da unidadede plasma.

O tipo, proporção e taxas de adição totais de oxidante àunidade de plasma serão rigorosamente controlados e tomarão emconsideração vários fatores:

• o rendimento e química tanto de reagentes de carvão quanto de gás;

o conhecimento de que a adição de vapor como umoxidante é eficaz em garantir taxas de reação rápidas com o carvão sólidopirolisado e produtos de fuligem na fase de gás. Isto pode ajudar a controlar aestabilidade térmica da unidade de plasma, evitando a possibilidade de"descontrole" térmico;

• a adição de oxigênio gera calor como um resultado dasreações de combustão exotérmicas (parcial) que ocorrem;

• é provável que o vapor será usado em combinação comoxigênio ou ar enriquecido com oxigênio por razões de economia, eficácia dagaseificação do carvão, eficiência de destruição dos orgânicos, qualidade evalor calorífico do produto de gás e controlabilidade global do processo;

ar pode ser usado em combinação ou como umaalternativa para oxigênio. Embora o ar seja barato para o uso, ele étermicamente menos eficiente do que o oxigênio, produz um produto de gásde calorífico muito mais baixo (devido ao efeito de diluição de nitrogênio) epode gerar NOx como um subproduto; e

a economia de processo global, (que será sensível aosfatores locais).'

Se a composição química e rendimento em massa dosreagentes no geral são constantes, então a razão de oxidante para as correntesde reagentes (contendo o resíduo) também preferivelmente será mantida emum valor constante. Um aumento na taxa de alimentação dos, reagentespreferivelmente levará a um aumento proporcional na taxa de adição deoxidante, que pode ser controlada por meios de adição de oxidanteautomáticos. A energia elétrica fornecida ao plasma também preferivelmenteserá ajustada para igualar a mudança na taxa de alimentação do resíduo àunidade de plasma e tomará em consideração a termoquímica do sistema e asperdas térmicas da unidade.

O gás que sai da unidade de plasma pode ser mantido em umatemperatura maior do que 1000°C, preferivelmente entre 1000°C e 1500°C, omais preferivelmente entre 1000°C e 1300°C. Temperaturas do gás de saídaexcessivas (isto é > 1300 °C) não são desejáveis visto que isto aumenta anecessidade de aquecimento da energia de plasma, reduzindo a exportação derede de eletricidade da planta.

Preferivelmente, o gás produzido do tratamento de plasma degás é usado em uma turbina ou motor a gás para gerar eletricidade. A turbinapode ser uma turbina de vapor de caldeira convencional ou turbina a gás. Ogás de síntese que resulta do tratamento de processo de plasma épreferivelmente esfriado ou deixado esfriar a uma temperatura abaixo de200°C antes do uso em uma turbina. Isto permite que os componentesparcialmente queimados do gás, por exemplo, monóxido de carbono, sejamqueimados completa e eficientemente. Adicionalmente, se o gás de síntese dotratamento de plasma for esfriado usando um sistema de troca de calor quetransfere o calor a um outro gás (transferência de calor), preferivelmente o gástransferência de calor é usado para aquecer uma turbina de vapor para ageração de energia adicional.

A unidade de plasma preferivelmente compreende umrevestimento soldado com aço inoxidável ou carbono revestido com tijolosrevestidos refratários de grau alto.

Preferivelmente, a unidade de plasma compreende elementosde cobre esfriados em água remotos, que preferivelmente serão utilizados paraefetivamente conter a(s) fase(s) inorgânica(s) fundida(s). Estes elementospreferivelmente agem para formar uma camada de fusão congelada protetoranos refratários de face quente para promover bom desempenho de refratário.

Preferivelmente, o gaseificador compreende uma porta de gásde exaustão em conexão fluida com a unidade de plasma. Preferivelmente, aporta de gás de exaustão no gaseificador será rigorosamente ligada à unidadede plasma para impedir condensação de alcatrão ou sais voláteis no canal queconecta as duas unidades.

Preferivelmente, a unidade de plasma compreende um sistemade eletrodo de grafita único ou duplo para gerar o arco de plasma. Trêsconfigurações possíveis e o método pelo qual elas são interconectadas aosuprimento de energia de plasma são mostradas na Figura 1. Cada um dosdiagramas (a) a (c) mostra um desenho esquemático de um forno tendo doiseletrodos. O 'banho fundido' refere-se à escória fundida presente no fundo daforno.

No diagrama (a), um eletrodo está localizado no topo do fornoe um outro eletrodo está localizado na base do forno. Ambos os eletrodos sãoconectados a uma fonte de energia para permitir a geração de plasma dentrodo forno.No diagrama (b), a mesma configuração como no diagrama (a)é mostrada, com um eletrodo de início adicional (mostrado à esquerda doforno) para permitir facilidade do início do sistema de geração de plasma,como seria avaliado pela pessoa habilitada.

No diagrama (c), dois eletrodos conectados estão localizadosno topo da unidade de plasma.

Preferivelmente, um ou mais eletrodos estarão localizados notopo da unidade de plasma. A unidade de plasma pode compreenderpreferivelmente selos de eletrodo esfriados em água nas entradas e saídas daunidade.

Preferivelmente, o(s) eletrodo(s) de grafita será(ão)perfurados, e um gás de estabilização de plasma (por exemplo, nitrogênio ouargônio) será injetado abaixo do centro do(s) eletrodo(s).

Opcionalmente, os eletrodos são revestidos com um materialrefratário (por exemplo, revestimento de alumina) de modo a reduzir o uso doeletrodo.

Opcionalmente uma ou mais maçaricos de plasma esfriadosem água podem ser usados para gerar o plasma.

A unidade de plasma pode compreender uma ou mais portasde alimentação para a introdução do resíduo de carvão do processo degaseificação. Preferivelmente, o resíduo de carvão é introduzido na unidadede plasma por intermédio de uma ou mais portas de alimentação no topo daunidade. As portas de alimentação preferivelmente estarão localizadasremotamente do jato de remoção de escória.

A unidade de plasma pode compreender uma ou mais portasde alimentação de entrada de gás para a introdução do gás de saída na unidadede plasma; as portas de alimentação podem ser localizadas em uma paredelateral ou no topo da unidade de plasma. O gás carregado com aícatrão (o gásde saída) do gaseificador preferivelmente entrará na unidade de plasmaatravés de uma porta na parede lateral ou topo. Preferivelmente, a unidade deplasma será designada a impedir ou minimizar o circuito curto do gás sujo,por exemplo:

preferivelmente, o ponto de saída para o gás reformado (ogás de síntese) será diametralmente oposto e tão remoto quanto prático aoponto de entrada dos gases e/ou

o gás de saída preferivelmente será forçado a jusante naunidade de plasma (por exemplo, por dispositivos de direção de fluxo ouentão localizando-se a porta de exaustão em um nível mais baixo do que oponto de entrada de gás deste modo reduzindo o efeito de flutuabilidade dosgases.)

A unidade de plasma será designada a garantir tempo deresidência adequado para que tanto as reações de reforma de carvão quanto degás ocorram.

O oxidante pode ser injetado na unidade de plasma parapermitir a gaseificação do componente de carbono do carvão e reformação dofluxo de gás carregado com alcatrão, sujo (o gás de saída) da unidade dogaseificador.

O ponto de injeção de oxidante preferivelmente será remotodos eletrodos para impedir taxas de uso de grafita altas.

A unidade de plasma pode compreender pontos separados emúltiplos de injeção para o oxidante, idealmente pelo menos um para o pontode injeção para o gás de saída e pelo menos uma ponto de injeção para oresíduo de carvão. Alternativamente, o carvão e gás de saída podem serintroduzidos através de um único ponto de injeção.

Um meio de injeção pode ser fornecido na unidade de plasmapara a injeção do oxidante e o meio de injeção é preferivelmente tal quequando injetado um fluxo radial de oxidante resultará. Isto melhoraria ocontato entre as fases de "combustível" oxidante e reagente (isto é, o gás desaída e o carvão).

O carvão pode conter uma fração inorgânica, isto é,componentes sólidos contendo elementos outros que não carbono. A fraçãoinorgânica do carvão formará uma fase de "escória" de oxido complexofundida que, preferivelmente, será continuamente removida da unidade deplasma. A unidade portanto pode compreender um meio para remover a fasede escória, que pode estar na forma de um jato de descarga de escóriadisposto em ângulo a montante (para o exterior da unidade), assim a escóriafundida que sai da unidade de plasma criará uma trava a ar para impedir que oar entre ou o gás saia da unidade.

Durante o uso, a unidade de plasma preferivelmente seráfirmemente selada. A unidade preferivelmente será mantida sob pressãopositiva.

Preferivelmente, um flange aparafusado, impermeável ao gásserá usada para selar o topo à seção principal do corpo do forno.Preferivelmente, os parafusos com flange serão forçados por ação de molapara garantir que no evento improvável de sobrepressão alta na unidade deplasma, (por exemplo, como um resultado de uma explosão) o topo seráelevado para permitir a dissipação rápida da pressão. Os gases de escape serãocuidadosamente manejados por intermédio de um sistema de manejo deemissões fugitivas.

A presença de fuligem de carbono ou outros depósitoscondutivos na unidade pode encorajar a geração de arcos laterais (tambémreferidos como arcos parasíticos) que emanam do(s) eletrodo(s) e transferemao topo ou às paredes laterais da unidade ao invés de à fusão. Os arcos lateraistendem a ser destrutivos, levando à falha prematura do revestimento do reator.Várias medidas podem ser adequadas para impedir que o desenvolvimento doarco lateral ocorra:

preferivelmente, o topo da unidade de plasma seráconstruído em seções que serão eletricamente isoladas entre si.

Atenção cuidadosa será dada do projeto do selo deeletrodo para evitar a possibilidade de rastreamento elétrico ao topo. Todos osparafusos de retenção, que seguram o selo preferivelmente serãoeletricamente isolados e, preferivelmente, protegidos de poeira para evitar aformação de poeira em superfícies eletricamente condutivas.

A purga de gás preferivelmente seráutilizada em torno dolado de fora do(s) eletrodo(s) para impedir a formação de depósitos emsuperfícies que estão em proximidade imediata ao eletrodo.

A unidade é preferivelmente adaptada em um modo queminimizará a produção de fuligem ou produtos de alcatrão

• Todos os selos serão designada a ser fáceis para limpare/ou substituir se necessário.

A composição de gás de saída preferivelmente serácontinuamente monitorada e um circuito de controle de retroalimentação podeser utilizada para ajustar a energia e taxa de alimentação de oxidante àunidade de plasma.

O gás reformado (gás de síntese), que resulta do tratamento deplasma, preferivelmente será mais limpo para remover gases ácidos,particulados e metais pesados do fluxo de gás para produzir um combustívelque pode ser usado na geração de eletricidade e calor para elevar o vapor.

Opcionalmente, o aparelho pode compreender ainda umaunidade de pirólise.

O processo pode compreender ainda coletar o gás produzidona unidade de tratamento de plasma (comumente chamado um gás de síntese).

Tipicamente, a unidade de tratamento de plasma gerará ummaterial sólido e/ou fundido, como seria conhecido à pessoa habilitada. Oprocesso pode compreender ainda coletar o material sólido e/ou fundidoproduzido na unidade de tratamento de plasma.O aparelho pode compreender ainda uma unidade para adigestão microbiana aeróbica do resíduo que pode ser como descrito aqui.

Como mencionado acima, o processo preferivelmentecompreende ainda submeter o resíduo à digestão microbiana, maispreferivelmente digestão microbiana aeróbica, antes da etapa de gaseificação.Isto tem as vantagens adicionadas de produzir uma carga de alimentação maishomogênea com um teor calorífico mais alto e menos teor de umidade do queo resíduo não processado, que leva em consideração um processo degaseificação e plasma combinado muito mais eficiente. O processo degaseificação é muito mais eficiente com uma carga de alimentação de valorcalorífico relativamente compatível. Do mesmo modo, foi descoberto que umtratamento de plasma eficiente idealmente deveria ter uma alimentaçãorelativamente homogênea de gás de saída. Tratando-se o resíduo inicialmentecom um tratamento microbiano para homogeneizar o resíduo introduzido aogaseificador, o gás de saída resultante do gaseificador também é maiscompatível em valor calorífico e conseqüentemente o processo como um todoé mais eficiente.

Preferivelmente, a digestão microbiana aeróbica é realizadaem uma unidade de digestão aeróbica rotativa.

Preferivelmente, o resíduo é girado na unidade de digestãoaeróbica rotativa em uma taxa de uma revolução a cada minuto a umarevolução a cada dez minutos.

O teor de umidade do resíduo antes da digestão aeróbica podeser de 20 a 75% em peso, preferivelmente 25 a 50% em peso.

Preferivelmente, o resíduo tem um nível de umidade médio de45% ou menos, preferivelmente 30% ou menos, depois do tratamento pordigestão aeróbica.

A etapa de digestão microbiana preferivelmente compreende as etapas de:misturar um (primeiro) fornecimento de resíduo tendo umprimeiro nível de umidade médio antes do tratamento com um fornecimentode outro resíduo, tendo um nível de umidade médio mais baixo antes dotratamento, em que as quantidades relativas em peso do primeiro resíduo e dooutro resíduo são controladas, alimentar o resíduo misto em um vaso detratamento microbiano, tratar o resíduo por atividade microbiana no vaso detratamento, o resíduo misto sendo agitado durante o tratamento, p teor deoxigênio no gás em contato com o resíduo misto sendo controlado durante oprocesso de tratamento de modo que ele não caia abaixo de 5% em volume, oresíduo misto tendo um nível de umidade médio depois do tratamento nãoexcedendo 45% em peso, mais preferivelmente não excedendo 35% de peso emais preferivelmente não excedendo 25%.

A secagem subseqüente do produto a um teor de umidademédio abaixo de 20% em peso pode ser realizada relativamente de maneirafácil. Preferivelmente, o primeiro fornecimento de resíduo compreenderesíduo orgânico, preferivelmente resíduo orgânico sólido. O outro resíduopode compreender resíduo sólido.

A parte do aparelho da presente invenção para realizar adigestão microbiana preferivelmente compreende:

um fornecimento para um primeiro resíduo tendo um primeironível de umidade médio antes do tratamento e um fornecimento para outroresíduo tendo um nível de umidade médio mais baixo antes do tratamento,

meios para misturar o primeiro resíduo e o outro resíduo,

meios de controle para controlar as quantidades relativas empeso do primeiro resíduo e outro resíduo misturados entre si,

meios para alimentar o primeiro resíduo e o outro resíduo a umvaso de tratamento,

meios para agitar o resíduo orgânico sólido no vaso detratamento,meios de secagem seguindo o vaso de tratamento e

meios para controlar o fluxo de ar através do vaso de tratamento, e/ou a entrada do primeiro resíduo e outro resíduo sólido ao vaso de tratamento, de modo que o nível de umidade médio do resíduo depois do tratamento, não excede 45% em peso, mais preferivelmente não excedendo 35% em peso e mais preferivelmente não excedendo 35% em peso, e de modo que o teor de oxigênio do gás em contato com o resíduo misto no vaso não caia abaixo de 5% em volume.

Variações na composição física (por exemplo teor calorífico) e nível de umidade do primeiro resíduo (tipicamente resíduo doméstico, mas também resíduo possivelmente agrícola) podem ser 'aperfeiçoadas', de modo que um produto formado do resíduo tratado de áreas diferentes ou períodos de tempo diferentes pode ser relativamente homogêneo.

O resíduo, o primeiro e/ou o outro resíduo, tratado usando a etapa microbiana é preferivelmente "resíduo orgânico", preferivelmente resíduo orgânico sólido, por exemplo resíduo doméstico, resíduo industrial ou resíduo agrícola. "Resíduo orgânico" é o resíduo que tem pelo menos uma proporção de material orgânico capaz de ser tratada microbiologicamente. O outro resíduo misturado com o primeiro resíduo preferivelmente também contém material orgânico.

Por, "mistura" é significado que pelo menos duas fontes separadas de resíduo são coletadas e alimentadas no vaso de tratamento microbiano em quantidades relativas controladas em peso. O resíduo das duas fontes diferentes pode ser misturado em um dispositivo de mistura ou em um desfibrador ou elas podem ser misturadas durante agitação no vaso de tratamento.

A etapa de digestão microbiana preferivelmente produzirá calor. Esta decomposição química é acelerada por mudanças na natureza física do resíduo. Tipicamente, a atividade microbiana é atividade bacteriana.Preferivelmente, a atividade microbiana é aeróbica.

O processo de digestão microbiana é preferivelmente realizadousando bactérias na fase termofílica, que normalmente ocorre na faixa detemperatura de 60°C a 75°C, mais preferivelmente em torno de 63°C a 70°C.Nesta fase, a digestão muito rápida ocorre na produção de calor. É descobertoque a reação na fase termofílica é muito mais rápida do que a fase mesofílicacomumente usada que ocorre na faixa de 30°C a 38°C.

Conseqüentemente, a decomposição acelerada do resíduoocorre. Entretanto, se a temperatura eleva-se acima de 75°C, existe um riscode que as bactérias serão destruídas.

A reação microbiana na fase termofílica resulta na geraçãonatural de calor que decompõe quimicamente o resíduo para produzir ummaterial que é adequado para o processamento para fornecer um combustívelou adubo composto. A reação microbiana quase sempre fornecerá calorsuficiente para manter por si só sem o fornecimento de calor suplementar.Entretanto, na prática, a mistura química do resíduo pode levar a um aumentona temperatura que auxilia o começo da atividade microbiana.

Outro material pode ser adicionado ao vaso de tratamentomicrobiano, por exemplo cal viva, para controlar o pH.

Preferivelmente o nível de oxigênio no gás que está emcontato com o resíduo que é tratado na etapa de digestão microbiana não caiabaixo de 5% em volume.

O vaso de tratamento para realizar a digestão microbiana não énormalmente enchido completamente, existe assim um espaço de gás acimado resíduo que é tratado. O teor de oxigênio ne~ste espaço de gás éadequadamente medido e preferivelmente controlado. A pessoa habilitadaestará ciente de técnicas adequadas para medir e controlar o teor de oxigênio.O nível de umidade também pode ser medido, como descrito abaixo.

Preferivelmente, o teor de oxigênio (e, opcionalmente nível deumidade) do gás removido do vaso de tratamento (como será descrito maisabaixo) é medido. Isto é um arranjo particularmente conveniente.

O gás no vaso de tratamento microbiano tipicamentecompreenderá nitrogênio atmosférico, oxigênio, dióxido de carbono e vapord'água. Este gás pode não conter nenhum metano, amônia ou sulfeto dehidrogênio, visto que a atividade microbiana é realizada na fase termofílica.

De modo a manter o nível de oxigênio acima de 5% emvolume, ar ou oxigênio podem ser fornecidos ao vasó^de tratamento. Ar ouoxigênio podem ser fornecidos continuamente pelo menos por toda parte doprocesso ou em entradas separadas de ar/oxigênio.

De modo a substituir o oxigênio que promove a digestãoaeróbica e a controlar o nível de umidade no gás de saída, (o gás que sai dovaso de tratamento microbiano) uma taxa de fluxo de ar relativamente alta énecessária.

O ar pode ser fornecido por alguma forma de tiragem forçada.Por exemplo, um ventilador pode ser fornecido. O ventilador pode soprar arno vaso de tratamento microbiano. Entretanto, é preferido que exista umventilador para tirar o gás do vaso de tratamento microbiano. Onde meios deextração são fornecidos para retirar o gás do vaso de tratamento microbiano,ele pode ser substituído pelo ar fornecido através de pelo menos um duto. Oar pode ser fornecido ao vaso de tratamento microbiano intermitentemente,mas ele é preferivelmente fornecido substancial e continuamente. O vaso detratamento microbiano pode não ser substancialmente selado, assim quecontanto que o gás seja removido, o ar naturalmente fluirá através deaberturas para substituir o gás removido.

Visto que ar fresco é fornecido ao vaso de tratamentomicrobiano e visto que o gás é removido deste vaso, o vapor d'água seráremovido do resíduo. Isto ajuda a controlar o efeito de secagem, levando a umproduto tendo um nível de umidade médio dentro da faixa desejada.O ar fornecido ao vaso de tratamento microbiano pode serpreviamente seco por qualquer aparelho adequado, para maximizar o efeito desecagem.

De acordo com um aspecto preferido da invenção, o nível deumidade no gás em contato com o resíduo no vaso de tratamento microbianoé mantido em um nível abaixo de seu ponto de condensação. Isto garante quea água é substancial e continuamente removida do resíduo que é tratado noespaço de gás por evaporação.

Meios podem ser fornecidos no vaso de tratamento microbianopara monitorar o nível de umidade no espaço de gás. Quaisquer meiosadequados podem ser utilizados para medir o nível de umidade.

O nível de umidade no vaso de tratamento microbiano podeser mantido abaixo do ponto de condensação fornecendo-se ar que tem umnível de umidade abaixo do ponto de condensação do resíduo que é tratado natemperatura de tratamento. Visto que a temperatura da digestão microbianaserá tipicamente mais alta do que a temperatura ambiente, ar fresco normalpode ser usado. Alternativamente, o ar seco, tendo um nível de umidadeabaixo do nível de umidade do ar ambiente, pode ser usado. As característicasprincipais do processo que mantêm o nível de oxigênio dentro da faixanecessária também podem ser usadas para manter o nível de umidade dentroda faixa necessária.

O fluxo de ar e gás através do vaso de tratamento microbianotambém remove o calor desta parte do aparelho. É descoberto que umequilíbrio térmico adequado pode ser obtido. Isto é, a geração de calor pelaatividade microbiana dentro da massa concentrada de resíduo pode serequilibrado com a remoção de calor pelo gás que flui através do vaso assimque a temperatura é mantida em um nível desejável.

Preferivelmente, o resíduo deve ser agitado durante a digestãomicrobiana. Isto fornece outra decomposição química do resíduo e misturapara garantir que os micróbios são difundidos por todo o material. Eletambém expõe partes diferentes do resíduo ao gás para garantir acesso dooxigênio ao resíduo e secagem do resíduo pelo gás. A agitação pode ocorrerpor quaisquer meios adequados, mas é particularmente preferido que adigestão ocorra em uma unidade de digestão aeróbica rotativa, isto é umaunidade contendo um tambor aeróbico rotativo.

O tambor pode ser girado em qualquer taxa adequada, eadequadamente completa uma revolução em uma faixa de tempo de 1 minutoa 10 minutos, preferivelmente 2 a 5 minutos, mais preferivelmente cerca de 3minutos. Entretanto, uma taxa mais alta de rotação pode ser usada durante ocarregamento e descarregamento do resíduo dentro/fora da unidade dedigestão microbiana, de modo a auxiliar estas operações. Tipicamente, avelocidade pode ser aumentada a uma revolução por minuto durante ocarregamento e descarregamento.

Como será descrito mais abaixo, o tambor é adequada esimultaneamente carregado com resíduo em uma extremidade e descarregadocom resíduo microbiologicamente tratado em sua outra extremidade. Ocarregamento e descarregamento tipicamente ocorrem em 4 intervalosfreqüentes e podem consumir 30 minutos.

O tambor preferivelmente compreende um cilindro em seçãocircular de lado substancialmente paralelo. O eixo do cilindro pode serinclinado para a horizontal, por exemplo em um ângulo na faixa de 3o a 10°mais preferivelmente 5o a 8o, para fornecer fluxo gravitacional através dotambor.

Qualquer tamanho adequado de tambor pode ser fornecido,dependendo da taxa de consumo do resíduo. Foi descoberto que, para umataxa de processamento de cerca de 250 a 500 toneladas por dia, um tambor dediâmetro na faixa de 3,5 a 6 m, preferivelmente 4 a 6 m mais preferivelmenteem torno de 5,5 m deve ser usado. O comprimento deve estar na faixa de 6 a10 vezes o diâmetro, mais prefenvelmente cerca de 8 vezes o diâmetro,adequadamente até 40 m.

O tambor pode ser usado de qualquer material adequado, porexemplo aço macio.

Um tambor rotativo tem a vantagem de que ele émecanicamente simples. Existem relativamente poucos problemas debloqueio e muito poucas partes moventes, que reduz o risco de decomposiçãoquímica.

A agitação causada pela rotação leva ao atrito do resíduo,contribuindo ainda para sua decomposição química. Prefenvelmente, otambor é enchido a um nível alto com resíduo, prefenvelmente sendoinicialmente 75% a 90% cheio em volume. Isto leva ao atrito aumentado,geração de calor rápida e também ao uso eficiente do vaso de tratamentomicrobiano.

O tempo de residência médio do resíduo no vaso de tratamentomicrobiano está adequadamente na faixa de 18 a 60 horas, maisprefenvelmente em torno de 24 a 48 horas, mais prefenvelmente em torno de36 horas.

O vaso de tratamento microbiano preferivelmente compreendeum vaso através de qual o resíduo é movido durante o tratamento, porexemplo um tambor como descrito acima. O resíduo adequadamente move-sede um ponto de carregamento a um ponto de descarregamento dentro dotambor. Como observado acima, o carregamento e descanegamentoadequadamente ocorrem substancial e simultaneamente, com o resíduo fresco(microbiologicamente não tratado) sendo carregado na extremidade docareegamento e resíduo tratado sólido misto sendo removido na extremidadede descarregamento. A operação de carregamento e/ou descarregamento podeconsumir 10 a 40 minutos, preferivelmente cerca de 30 minutos.

Uma operação de descarregamento ou operação decarregamento é preferivelmente espaçada da operação de descarregamento oucarregamento seguinte respectivamente por um período na faixa de 2 a 8horas, preferivelmente 3 a 5 horas, mais preferivelmente em torno de 4 horas.Deste modo, um processo de "semi lote" processo pode ser realizado.

Durante o processamento, é descoberto que o volume domaterial pode diminuir tanto quanto em 25%. O espaço de gás sobre omaterial conseqüentemente aumentará.

O material de resíduo deve ser descartado do vaso detratamento em um estágio em que o material de resíduo tratado ésuficientemente digerido e suficientemente seco. Isto tipicamente ocorredepois de um período de cerca de 48 horas. Restringindo-se o tempo deresidência para 48 horas ou menos, a perda adicional de carbono pode serreduzida.

Verificou-se que o tratamento microbiano é eficaz em reduziro tamanho de alguns constituintes do resíduo. Não obstante, outros processospara auxiliar a redução do tamanho dos constituintes do resíduo podem serusados. Por exemplo, de modo a promover a atividade microbiana, algunsparâmetros do resíduo alimentado à etapa de digestão são preferivelmentecontrolados.

Por exemplo, o resíduo é preferivelmente tratado em umprimeiro processo antes da etapa de digestão (ou da etapa de gaseificação, seo processo não incluir uma etapa de tratamento microbiano) para removerpartículas de tamanho em excesso de 100 mm, preferivelmente 60 mm, maispreferivelmente 50 mm. Este primeiro processo pode compreender umaprimeira etapa em que objetos muito grandes são removidos, por exemplomanualmente ou por triagem e uma segunda etapa em que o materialremanescente é tratado para reduzir seu tamanho de partícula, por exemplopor desfibramento. A pessoa habilitada na técnica será capaz de obteraparelho de desfibramento adequado. Os desfibradores podem ter um rotorfixo ou dois rotores de contra-rotação.

Alternativamente, (antes da etapa microbiana ou degaseificação), o resíduo pode ser submetido a uma operação para reduzir seutamanho de partícula, por exemplo por desfibramento sem inicialmenteremover as partículas enormes. A operação de desfibramento éparticularmente benéfica para o processo de tratamento microbiano, visto queela mistura o material completamente, difundindo a cultura microbiana portodo o material e inicia uma reação termofílica muito rapidamente. Odesfibramento pode ser usado para reduzir o espaçamento entre as partículaspara promover a reação microbiana.

O segundo parâmetro que pode ser controlado é o teor deumidade médio de pelo menos um pouco do resíduo tratado na etapa detratamento microbiano. O nível de umidade médio desta parte do resíduo estáadequadamente na faixa de 20 a 75%, mais preferivelmente 30 a 60%, maispreferivelmente 30 a 50%.

Todos os níveis de umidade cotados aqui são% em peso. Elessão valores médios, sendo ponderados para quantidades de pelo menos 100 kgde resíduo.

Os níveis de umidade de resíduo podem ser medidos medindo-se o nível de umidade do ar ou gás sobre o resíduo em uma temperatura fixa eem equilíbrio com ele.

Se o resíduo depois da mistura for baixo em teor orgânico ounível de umidade, a água do processo pode ser preferivelmente adicionada emquantidades controladas. Esta água do processo è preferivelmente águaresidual do tratamento de água, mais preferivelmente lamas de depuraçãodesidratadas. Este material tem um alto teor de nitrogênio e. age como umcatalisador para a reação microbiana.

Como mencionado acima, um nível desejável de umidade doresíduo tratado na etapa de tratamento microbiano pode ser obtidocombinando-se um primeiro resíduo com outro resíduo de um nível deumidade médio mais baixo. É descoberto que o resíduo doméstico mistotipicamente tem um nível de umidade em excesso de 30% em peso. O resíduocomercial de escritórios e fábricas é tipicamente mais seco, tendo um nível deumidade na faixa de 10% a 30% em peso.

O nível de umidade do resíduo alimentado ao digestor pode sermanejado alterando-se as razões de mistura de tipos diferentes de resíduo.Preferivelmente pelo menos parte do resíduo alimentado ao digestormicrobiano tem um nível de umidade na faixa de 20 a 75% em peso,preferivelmente 25 a 65% em peso de modo a promover a reação termofílicamais rápida. Entretanto, parte do resíduo alimentado ao digestor podecompreender um resíduo comercial relativamente seco. O calor gerado peladigestão do resíduo úmido é suficiente para tratar o total do resíduoalimentado ao vaso de tratamento. Entretanto, durante o processo de agitação,o resíduo comercial e doméstico são lentamente misturados entre si reduzindoo teor de umidade global da mistura, assim que no final do processamento, onível de umidade não excede 45% em peso e preferivelmente não excede 25%em peso.

O primeiro resíduo com nível de umidade mais alto pode sercombinado com outro resíduo com nível de umidade mais baixo no aparelhode combinação em uma maneira controlada. As quantidades relativas de tiposdiferentes de resíduo são controladas assim que o nível de umidade médiodesejado sobre as massas combinadas de resíduos mistos for obtido comoexplicado acima.

A etapa de combinação também permite que o materialabsorvente tal como papel e material com base em papel (que éparticularmente comum no resíduo comercial) seja combinado intimamentecom o resíduo úmido (tal como resíduo doméstico). O material absorventeabsorve o líquido rico em bactérias, fornecendo um substrato para as bactériascrescerem e permitindo que as bactérias sejam difundidas por todo o resíduoque é processado. Isto promove a reação e mistura, levando a uma digestãomelhorada. Além disso, a umectação do papel ajuda-o a ser decompostoquimicamente.

No processamento do resíduo na etapa de tratamentomicrobiano, é desejável produzir um produto que é substancialmentehomogêneo, tal que seus constituintes são partículas que têm uma distribuiçãode tamanho relativamente pequena, as partículas têm uma medição maior de50 mm ou abaixo. A etapa de combinação ajuda a melhorar a homogeneidadedo produto.

Entretanto, embora a combinação ocorre, é descoberto que onível de umidade permanece concentrado em áreas locais do resíduo, onde eleé suficientemente alto para permitir que a reação termofílica comece eproceda muito rapidamente.

As quantidades relativas de tipos diferentes de alimentação deresíduo podem ser controladas usando alimentadores de pesagem automática.

Por via de exemplo, o nível de umidade do resíduo durante otratamento microbiano pode ser como segue:

O resíduo doméstico com um alto teor orgânico e nível deumidade acima de 50% pode ser misturado com o resíduo comercial tendo umnível de umidade de 20% ou abaixo em uma razão adequada para forneceruma combinação tendo um nível de umidade médio na faixa de 45 a 55% empeso.

Durante a digestão microbiana, uma parte da umidade éabsorvida pelo gás e o ar que fluir sobre o material sendo processado. O nívelde umidade médio pode cair em torno de 30 a 40% em peso, preferivelmente25 a 30% em peso.

Durante esvaziamento do vaso de tratamento microbiano, oresíduo que ainda tem um nível de calor residual alto, pode ser seco por umatiragem forçada como descrito acima, assim que o nível de umidade cai para afaixa de 30 a 40% em peso, preferivelmente 25 a 30% em peso.

O resíduo tratado na etapa de digestão microbiana depois podeser seco ainda em um pavimento de secagem como descrito acima, assim queo nível de umidade cai abaixo de 25% em peso.

Um outro parâmetro que pode ser manejado é o pH do resíduono processo de tratamento microbiano. Este pH do resíduo no processo detratamento microbiano é preferivelmente de 6,0 a 8,5, preferivelmente 6,3 a7,3, mais preferivelmente em torno de 6,8.

O nível de nitrogênio tem um impacto na atividademicrobiana, e o ajuste do pH e teor de nitrogênio pode ser vantajoso.

Verificou-se ainda que a densidade do resíduo alimentado aovaso de tratamento microbiano é adequadamente não muito baixo.Preferivelmente, a densidade não é menos do que 450 g por litro,preferivelmente não menos do que 750 g por litro. Novamente, a etapa decombinação é particularmente útil aqui. O resíduo doméstico pode ter umadensidade relativamente alta. A densidade média pode ser controladamisturando-se uma quantidade adequada de resíduo comercial, que tem umadensidade comparativamente baixa.

Tratamento Preliminar

Como descrito acima, o resíduo pode ser submetido a váriostipos de tratamento antes da etapa de gaseificação ou digestão microbiana('etapas prévias'). Preferivelmente, as etapas prévias incluem qualquer um outodos os seguintes:

1. Picotamento

O tratamento inicial para remover objetos que não sãofacilmente inflamáveis, tais como pedra, concreto, metal, pneus velhos etc.Objetos tendo um tamanho em excesso de 100 mm ou mais também podemser removidos. O processo pode ser realizado em uma superfície fixa, talcomo um pavimento de picotamento. Alternativa ou adicionalmente, oresíduo pode ser carregado em uma superfície movente tal como umtransportador e passado através de uma estação de picotamento em que opicotamento mecânico ou manual do material ocorre.

2. Desfibramento

O desfibramento é uma etapa altamente preferida. Ele érealizado para reduzir o tamanho de partícula médio. Ele também pode serusado para aumentar a combinação do resíduo a partir de fontes diferentes.Ele também torna o processo de tratamento mais eficaz. É descoberto que,durante o processo de desfibramento, a atividade microbiana pode começar erapidamente elevar a temperatura passando muito rapidamente através da fasemesofílica na fase termofílica.

3. Triagem

O resíduo pode ser mecanicamente triado para selecionarpartículas com tamanho em uma faixa dada. A faixa dada pode ser de 10 mma 50 mm. O material menor do que 10 mm em tamanho compreende poeira,sujeira e pedras e é rejeitado. O resíduo pode ser tratado a pelo menos doisprocessos de triagem em sucessão, cada um removendo progressivamentefrações menores de partículas. O material removido no processo de triagemcomo sendo muito grande pode ser desfibrado para reduzir seu tamanhomédio. O material que é classificado pela triagem como sendo de tamanhoaceitável e, onde aplicável, o material desfibrado depois pode ser alimentadoao vaso de tratamento.

Tratamento Subseqüente

O resíduo pode ser submetido a várias etapas depois da etapade tratamento de digestão microbiana e antes da etapa de gaseificação. Estasetapas podem incluir qualquer um dos seguintes:

1. Graduação

O material pode ser triado para remover partículas em excessode um tamanho dado. Por exemplo, partículas em excesso de 50 mm podemser rejeitadas. Elas podem ser subseqüentemente desfibradas para reduzir seutamanho, devolvidas ao digestor aeróbico ou simplesmente rejeitadas.

2. Separação de Metal

Partículas de metal relativamente pequenas tais como ferro oualumínio podem ter passado através do sistema. Elas podem ser removidas,por exemplo por uma remoção magnética ou eletromagnética em uma etapasubseqüente. As partículas de metal removidas do sistema depois podempassar a um processo de reciclagem adequado.

3. Secagem

Adequadamente, depois do tratamento no vaso de tratamentomicrobiano, o resíduo é submetido a uma etapa de secagem adicional. Se onível de umidade não exceder 45% em peso, mais preferivelmente nãoexceder 35% em peso e mais preferivelmente não exceder 25% em peso,depois do tratamento microbiano, a secagem subseqüente pode ser realizadarelativamente de modo simples. Por exemplo, em um primeiro estágio desecagem, uma tiragem forçada de ar pode ser fornecida durante ou depois dafase de descarregamento do vaso de tratamento. Durante este estágio, oresíduo tratado pelo estágio de digestão microbiana ainda estará emtemperatura alta (por exemplo na faixa de 50 a 60°C) e mais umidade podeser removida simplesmente forçando-se o ar sobre ele. Uma outra etapa desecagem pode compreender dispor o material em um pavimento de secagem.Nesta etapa, o resíduo é disposto em uma espessura de não mais do que 20 cmsobre uma área relativamente grande durante um período adequado de tempo, durante o qual o nível de umidade cai. O resíduo pode ser agitado, porexemplo por rotação usando aparelho mecânico ou manual tal como umaescavadeira mecânica. O resíduo pode ser girado em intervalos por exemplode 2 a 4 horas preferivelmente em torno de 3 horas. Preferivelmente, duranteeste estágio, o nível de umidade cai a abaixo de 25% em peso depois de quenenhuma outra decomposição biológica ocorre. Adequadamente, o resíduo édeixado em um pavimento de secagem durante um período na faixa 18 a 48horas, preferivelmente 24 a 36 horas, mais preferivelmente em torno de 24horas. Também é descoberto que outra secagem pode ocorrer durante oprocessamento subseqüente, devido à entrada mecânica de energia. Oaquecimento do resíduo a partir de outro equipamento de processo, porexemplo da gaseificação e/ou da etapa de tratamento de plasma, pode serusado para secar o material. O ar aquecido pelo calor gerado na gaseificaçãoe/ou etapas de tratamento de plasma pode ser soprado no vaso de tratamentode resíduo microbiano e sobre ou através do resíduo para aumentar a taxa desecagem, destes processos.

Alternativamente, o aparelho de secagem pode compreenderum secador por vaporização rotativo ou outro dispositivo de secagem.

4. Peletização

De modo a converter o resíduo tratado a combustível, oresíduo pode ser classificado de acordo com o tamanho e subseqüentementedensificado para fornecer pelotas de tamanho adequado para o uso na etapa degaseificação. Durante este estágio de peletização, outra secagem do resíduopode ocorrer, devido à geração de calor causada por atrito e devido à outraexposição ao ar. Preferivelmente, de modo que a peletização proceda bem, onível de umidade do material tratado está na faixa de 10 a 25% em peso.

Verificou-se que a etapa de tratamento microbiano pode seradaptada para fornecer um combustível para o uso na etapa de gaseificação,referido como Hulha Verde, que tem um valor calorífico na ordem de 14,5MJ/kg que é cerca de metade daquele da hulha industrial.

Combinando-se fontes diferentes de material de resíduo, ocombustível produzido pela etapa de tratamento microbiano em temposdiferente ou com resíduo de locações diferentes pode ser relativamentehomogêneo em termos de:1. Valor calorífico - adequadamente na faixa de 13 a 16,5MJ/kg, preferivelmente 12 a 15 MJ/kg. O valor calorífico pode ser mais altose os conteúdos fossem significantemente secos.

2. Densidade - adequadamente na faixa de 270 a 350 kg/m3mais preferivelmente em torno de 300 kg/m3.

3. Nível de umidade - abaixo de 30% em peso epreferivelmente em torno de 20% em peso.

O processo da presente invenção pode compreender uma etapade pirólise antes da etapa de gaseificação, e depois da etapa de digestãomicrobiana, se usada. O resíduo que resulta da etapa de digestão microbianapode ser usado para fornecer uma alimentação a um processo de pirólise,como descrito abaixo.

O aparelho da presente invenção pode incluir meios paraalimentar o resíduo microbiologicamente tratado a partir do vaso detratamento a um meio para pirolisar o resíduo tratado (isto é uma unidade depirólise).

Se o processo envolve uma etapa de pirólise antes da etapa degaseificação, preferivelmente o resíduo pirolisado é alimentado à unidade degaseificação, onde a gaseificação ocorre. Isto normalmente requererá que omaterial pirolisado esteja em uma temperatura alta e o processo degaseificação preferivelmente ocorre diretamente depois do processo depirólise.

O aparelho pode compreender uma unidade de digestãomicrobiana em conexão fluida com a unidade de gaseificação, e a unidade degaseificação pode estar em conexão fluida com a unidade de tratamento deplasma, para permitir que o resíduo tratado do tratamento microbiano sejatransportado à unidade de gaseificação, e para permitir que o gás de saída e ocarvão que resultam da etapa de gaseificação sejam transportados à unidadede tratamento de plasma.O aparelho pode ser adaptado para tratar o resíduo em umprocesso contínuo. A etapa de digestão microbiana tipicamente pode serrealizada em uma forma semi às porções, ao passo que a pirólise e processosde gaseificação tipicamente requerem uma alimentação contínua de material,um meio de armazenamento de ínterim, por exemplo na forma de umalimentador pode ser fornecido. É preferido que exista um primeiro meio deliberação para receber o resíduo tratado do processo de tratamento microbianoe alimentá-lo nos meios de armazenamento de ínterim e um segundo aparelhode alimentação para alimentar o resíduo tratado armazenado dos meios dearmazenamento de ínterim ao aparelho de pirólise ou ao aparelho degaseificação. O segundo meio de alimentação é preferivelmente operadosubstancial e continuamente. O primeiro e segundo aparelhos de alimentaçãopodem compreender quaisquer meios adequados, por exemplo correias detransporte ou alimentadores de rosca.

Uma forma de realização preferida do processo da presenteinvenção é ilustrada na Figura 2, que mostra:

uma primeira etapa em que o resíduo bruto é submetido àdigestão microbiana aeróbica em uma unidade de digestão aeróbica rotativa(RAD),

uma segunda etapa compreendendo gaseificar os produtos daetapa de digestão rotativa em uma unidade de gaseificação (gaseificador), queproduz um gás de saída e um carvão,

uma terceira etapa compreendendo tratar o carvão e o gás desaída a um processo de tratamento de plasma em uma unidade de plasma(forno de plasma), produzindo, um escória sólida vitrificada (que é descartada)e um gás de síntese,

uma quarta etapa compreendendo a limpeza do gás de síntese,

uma quinta etapa compreendendo consumir o gás de síntese ouqueimar o gás de síntese em um motor a gás ou turbina a gás (denominado um'ilha de energia' na Figura) para produzir energia elétrica, e depois consumiro gás de síntese queimado. O calor produzido na queima do gás de síntese ouna etapa de plasma pode ser usado para secar o material de resíduo (nãomostrado). -

Uma outra forma de realização preferida do processo dapresente invenção é ilustrada na Figura 5, que mostra:

Etapa A, em que o resíduo bruto é submetido à digestãomicrobiana aeróbica em uma unidade de digestão aeróbica rotativa (RAD),

Etapa B, em que a carga de alimentação de resíduo que resultada Etapa A é tratada em um gaseificador, para produzir um gás de saída e umcarvão, ambos dos quais depois são tratados em uma unidade de plasma a1500°C,

Etapa C, em que os gases quentes produzidos nas Etapas Be/ou I são esfriados em um sistema de esfriamento de gás,

Etapa D, que compreende opcionalmente tratar o gás a umaetapa de limpeza,

Etapa E, que compreende opcionalmente comprimir earmazenar o gás,

Etapa F, em que o gás da etapa E é passado através de umaturbina a gás, que é diretamente ligada a um gerador (EG2 - não mostrado)para gerar eletricidade,

Etapa G, em que o gás é passado através de um gerador devapor de recuperação de calor,

Etapa H, que envolve consumir o gás a uma pilha e monitoraro gás de combustão,

Etapa I, em que o vapor de pressão alta da etapa C e/ou G épassado através de uma turbina a vapor para gerar eletricidade com o geradorde eletricidade 1 (EG1). O vapor de pressão baixa da turbina é passado porintermédio de um condensador ligado fechado a uma torre de esfriamentoseparada na Etapa J e a um sistema de água de alimentação na etapa K. Aeletricidade gerada na Etapa I e/ou F pode ser distribuída na Etapa L aqualquer parte do aparelho (representado pela etapa M) ou transferidoexternamente (etapa N).

Como indicado acima oxigênio e/ou vapor podem serintroduzidos à unidade de gaseificação ou unidade de pirólise e/ou unidade detratamento de plasma.

A presente invenção agora será exemplificada ainda nosExemplos não limitados seguintes.

Exemplos

Configuração e operação do gaseificador (ver a Figura 3)O FBG (gaseificador de leito fluidizado), compreende um vasode aço macio vertical, cilíndrico revestido com um revestimento refratáriocompósito. As dimensões externas da revestimento do gaseificador são de1,83 m de diâmetro x 5,18 m de altura e o diâmetro interno é de 0,254 m; aaltura do leito expandido é de aproximadamente 1,0 m.

O FBG usa um leito aquecido de particulados cerâmicos desilicato de alumina como o meio do leito. A carga de alimentação de RDF(combustível derivado de resíduo) é alimentada continuamente, em uma taxacontrolada, ao FBG 1 através de um sistema alimentador de combustívelsólido. A alimentação igualmente recebida é transferida por um transportadorde correia 2 a um alimentador de compensação 3 onde um transportador derosca de velocidade variável controla a taxa de alimentação volumétrica dossólidos. Estes descarregam em uma câmara de vácuo. Um transportador derosca de velocidade constante é utilizado para transferir a alimentação dacâmara de vácuo ao leito fluidificado 1 onde ele é carregado acima dasuperfície superior do leito. A purga de gás inerte adicional inerte gás é usadano alimentador e na câmara de vácuo para impedir que o ar entre ou o gás saiano fluxo de alimentação.Um sistema de pré aquecimento de leito subjacente abastecidocom combustível propano é usado para elevar a temperatura do leito a 420°C.Neste momento pelotas de madeira são alimentadas através de umalimentador separado na câmara de vácuo para elevar a temperatura do leito a600°C quando o fornecimento de propano secundário é descontinuado, depoisa 700°C o fornecimento de propano primário é desligado. A alimentação depelota de madeira é continuada para atingir a temperatura de operação de 800a 850°C quando ela é substituída por RDF. '

Oxigênio é fornecido a partir de uma embalagem múltipla'Titan' de 10 a 11 cilindros. A taxa de fluxo é controlada através de umcontrolador de fluxo de massa (MFC) calculado até 500 Nlpm.

Os oxidantes: oxigênio e vapor, são misturados antes deinjeção através de um bocal faceando á montante localizado abaixo do leito.As taxas de alimentação de vapor e oxigênio individuais são rigorosamente medidas para igualar-se à taxa de alimentação do RDF para garantir que ogaseificador opere dentro dos limites de operação do projeto.

Sensores de pressão e temperatura múltiplos são usados paramonitorar e controlar rigorosamente a operação de FBG. Conexões desegurança são construídas para garantir suspensão ou alarme seguros do sistema no evento da unidade que cai fora dos limites operacionaisespecíficos.

O gás de saída que sai do FBG é transferido à unidadeconversora de plasma 4 em um duto de aço revestido refratário 5.

Configuração do conversor de plasma

Um desenho esquemático do conversor de plasma (excluindo oarranjo de eletrodo e manipulador) é fornecido na Figura 4 e compreende asseções seguintes:

i) Um revestimento de aço macio revestido refratário 6 comuma camisa de esfriamento de água de pele dupla adicional na seção derevestimento superior e uma série de ligadores de cobre esfriados em água 7que fornecem proteção adicional para os refratários na linha de escória. Orefratário é um espinélio de alumina fundido contendo 91% de AI2O3, 7% deMgO e 2% de CaO com um limite de serviço máximo de 1800°C. Uma barrade aço cilíndrica de 150 mm de diâmetro na base do conversor fornece oeletrodo de retorno (ânodo) para a operação de eletrodo única. Um sangrador8 na soleira de forno leva em consideração a remoção intermitente da escóriafundida. O conversor tem aberturas na região de revestimento superior para omonitoramento da pressão e para a observação da câmera. As temperaturasrefratárias são monitoradas em oito locações usando termopares do tipo B (até1800°C) e no eletrodo de retorno em duas locações usando termopares do tipoK(até 1300°C).

ii) Um topo com camisa de água cônico de aço macio,revestido com refratário 9 com cinco aberturas grandes: uma porta centralpara o trabalho de eletrodo único 10, uma porta lateral para a alimentação degás da alimentação de FBG 11 uma porta isenta de gás 12 e uma porta paraalimentação de sólidos do material de leito desproporcionado (não mostrado)e uma porta de acesso geral sobressalente 13. Também existe uma porta decâmera menor que aloja uma câmera de vídeo remota pequena em um estojoprotetor que leva em consideração a observação do interior do conversor deplasma. Existem dois furos de termopar para o monitoramento de temperaturarefratária como acima. O topo também fornece pontos de locação paramanipuladores de eletrodo e para a canalização isenta de gás.

iii) Uma plataforma de suporte de aço 14, montada em rodasde serviço pesado e trilhos de estrada de ferro para a remoção e instalação"fáceis do conversor de plasma.

iv) Eletrodo 15 e Sistema Manipulador 16 onde o movimentodo eletrodo cátodo é controlado por um manipulador central, de eixo único(vertical apenas), que consiste de uma guia deslizante linear de serviço pesadoacionado por intermédio de um servo-motor e caixa de câmbio. O dispositivode grampeamento de eletrodo 17 é fixo à placa do carro e a montagem total émontada em anéis de cerâmica e fibra de vidro eletricamente isolantes eespaçadores para impedir o arqueamento lateral do dispositivo de plasma. Abase do manipulador é transposta por uma montagem de selo contendo umajunta de vedação esfriada em água tipo selo para que o maçarico ou eletrodopassem dentro do conversor de plasma. Os diâmetros do eletrodo de até 100mm podem ser acomodados através desta porta central e o curso máximo é de1000 mm. O eletrodo de grafita é centralmente perfurado e gás de plasma inerte é injetado através deste conduto.

O uso do manipulador único leva em consideração o modo deoperação de eletrodo único (cátodo) e o caminho de retorno para a corrente épor intermédio de um eletrodo de retorno de aço na base do conversor(ânodo).

Em operação, o gás de saída sujo do gaseificador flui porintermédio de um duto refratário revestido ao conversor de plasma. Oxigênioe vapor adicionais são axialmente injetados no fluxo de gás no ponto deentrada no conversor.

A temperatura alta e a adição de oxidantes no estágio conversor promovem o craqueamento e reforma de espécie orgânica egaseificação de produtos fuliginosos e de carvão. A energia para o arco de"plasma é controlada para manter uma temperatura de gases que saem daunidade a ~ 1000 a 1300°C. Os particulados de cinzas que são transportadosdo gaseificador cairão fora e serão assimilados na fusão. Depois do tratamento na unidade conversora o gás de síntese sai por intermédio de uma .segundaporta de gás na base da unidade.

Exemplo 1: Tratamento de pelota de madeira de biomassaA metodologia geral para tratar a pelota de madeira é comofornecido acima. A taxa de alimentação de pelotas de madeira ao gaseificadorponderou 42 kg/h. Um resumo das condições de operação utilizadas no FBGpara manter a temperatura do leito em torno de 800°C e no conversor deplasma para fornecer uma temperatura de exaustão (estimada) de 1250°C éfornecido na Tabela 4. Estas figuras estão em correlação fechada àsnecessidades de operação teoricamente derivadas.

Tabela 4 Condições de operação exemplares para o tratamentode biomassâ (pelota de madeira)

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Exemplo 2: Tratamento do material de RDF

A metodologia para o tratamento do material de RDF é comofornecido acima. O RDF foi obtido de uma planta de tratamento térmicocomercial. A composição geral deste material é fornecida na Tabela 1 acima.Os materiais foram alimentados em uma taxa média de 40,5 kg/h aogaseificador. Um resumo das condições de operação utilizadas no FBG paramanter a temperatura do leito em torno de 800°C e no conversor de plasmapara fornecer uma temperatura de exaustão (estimada) de 1250°C é fornecidona Tabela 5. Foi observado que existiu novamente boa correlação entre osvalores teóricos e experimentalmente derivados.

Tabela 5 Condições de operação exemplares para o tratamentode combustível derivado de resíduo

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Claims

1. Processo para o tratamento de resíduo, caracterizado pelofato de que compreende:(I) ou(a) uma etapa de gaseificação compreendendo tratar o resíduoem uma unidade de gaseificação na presença de oxigênio e vapor paraproduzir um gás de saída e um carvão, ou(b) uma etapa de pirólise compreendendo tratar o resíduo emuma unidade de pirólise para produzir um gás de saída e um carvão; e(ii) uma etapa de tratamento de plasma compreendendosubmeter o gás de saída e o carvão a um tratamento de plasma em umaunidade de tratamento de plasma na presença de oxigênio e, opcionalmente,vapor.

2. Processo para o tratamento de resíduo, caracterizado pelofato de que compreende:(i) submeter o resíduo à digestão microbiana, depois(ii) ou(a) uma etapa de gaseificação compreendendo tratar o resíduomicrobiologicamente tratado em uma unidade de gaseificação para produzirum gás de saída e um carvão, ou(b) uma etapa de pirólise compreendendo tratar o resíduomicrobiologicamente tratado em uma unidade de pirólise para produzir umgás de saída e um carvão; e(iii) uma etapa de tratamento de, plasma compreendendosubmeter o gás de saída e o carvão a um tratamento de plasma em umaunidade de tratamento de plasma.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação-2, caracterizado pelo fato de que o resíduo é gaseificado durante a etapa degaseificação em uma temperatura maior do que 650°C.

4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o resíduo é gaseificado durante a etapa de gaseificação emuma temperatura de 800°C a 950°C. ,

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a quantidade de oxigêniointroduzido à unidade de gaseificação durante a etapa de gaseificação é de300 a 350 kg por 1000 kg de resíduo alimentado na unidade de gaseificação.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que o resíduo contém menos do que- 20% em peso de umidade e a quantidade de vapor introduzido à unidade degaseificação durante a etapa de gaseificação é de 300 a 350 kg por 1000 kg deresíduo alimentado à unidade de gaseificação.

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de-1 a 4, caracterizado pelo fato de que a quantidade de vapor introduzido à unidade de gaseificação durante a etapa de gaseificação é de até 300 kg por-1000 kg de resíduo alimentado na unidade de gaseificação.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de-1 a 4 e 7, caracterizado pelo fato de que o resíduo contém 20% ou mais empeso de umidade e a quantidade de vapor introduzido à unidade degaseificação durante a etapa de gaseificação é de 0 a 150 kg por 1000 kg deresíduo alimentado à unidade de gaseificação.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de gaseificação é realizadaem uma unidade de gaseificação de leito fluidizado.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que o.resíduo é alimentado à unidadede gaseificação através de um dispositivo de trava a ar.

11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que ò processo compreende ainda submeter o resíduo a uma etapade digestão microbiana antes da etapa de gaseificação.

12. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação11, caracterizado pelo fato de que a digestão microbiana é a digestãomicrobiana aeróbica.

13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que a digestão microbiana é realizada em uma unidade dedigestão microbiana aeróbica em que o teor de oxigênio do gás na unidadenão é menos do que 5% em volume.

14. Processo de acordo com a reivindicação 10 oureivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a digestão microbianaaeróbica é realizada em uma unidade de digestão aeróbica rotativa.

15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações14, caracterizado pelo fato de que o resíduo é girado na unidade de digestãoaeróbica rotativa em uma taxa de uma revolução a cada minuto a umarevolução a cada dez minutos.

16. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 11 a 15, caracterizado pelo fato de que o teor de umidade do resíduo antesda digestão microbiana é de 20 a 75% em peso.

17. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 11 a 16, caracterizado pelo fato de que o resíduo tem um nível de umidademédio de 30% ou menos em peso depois do tratamento por digestãomicrobiana.

18. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que a unidade de gaseificação e aunidade de tratamento de plasma estão em conexão fluida.

19. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que a razão de oxigênio para vapor naetapa de tratamento de plasma é de 10:1 a 2:5, em peso.

20. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que o tratamento de plasma do resíduoé realizado em uma temperatura de 1100 a 1600°C.

21. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que o tratamento de plasma do resíduoé realizado na presença de um gás de estabilização de plasma.

22. Processo de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que o gás de estabilização de plasma é selecionado de um oumais de nitrogênio, argônio, hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido decarbono e vapor.

23. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda coletar o gásproduzido na unidade de tratamento de plasma.

24. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda coletar omaterial sólido e/ou fundido produzido na unidade de tratamento de plasma.

25. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que o gás produzido a partir dotratamento de plasma do gás é usado em um motor a gás ou turbina a gás paragerar eletricidade.

26. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que o resíduo é pirolisado durante aetapa de pirólise em uma temperatura de 400°C ou mais.

27. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de secaro resíduo antes de seu tratamento na etapa de gaseificação ou pirólise.

28. Processo de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato de que o resíduo é seco usando-se o calor produzido em qualqueruma das outras etapas do processo.

29. Processo de acordo com as reivindicações 27 ou 28,caracterizado pelo fato de que o resíduo é seco soprando-se ar aquecido ouvapor sobre ou através do resíduo.

30. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes 27 ou 28, caracterizado pelo fato de que o teor de umidade doresíduo imediatamente antes do tratamento na etapa de gaseificação oupirólise é de 20% ou menos em peso.

31. Processo de acordo com a reivindicação 30, caracterizadopelo fato de que o teor de umidade dó resíduo imediatamente antes dotratamento na etapa de gaseificação ou pirólise é de 15% ou menos em peso.

32. Aparelho para realizar o processo como definido nareivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:(i) uma unidade de gaseificação ou unidade de pirólise e(ii) uma unidade de tratamento de plasma,em que a unidade de gaseificação tem uma entrada paraoxigênio e opcionalmente uma entrada para vapor e as unidades de tratamentode plasma tem uma entrada para oxigênio e opcionalmente uma entrada paravapor.

33. Aparelho para realizar o processo como definido nareivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende:(i) uma unidade de digestão microbiana,(ii) uma unidade de gaseificação ou pirólise, e(iii) uma unidade de tratamento de plasma.

34. Aparelho de acordo com a reivindicação 32 oureivindicação 33, caracterizado pelo fato de que a unidade de gaseificação éadaptada para gaseificar o resíduo em uma temperatura de mais do que-650°C.

35. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 32 a 34, caracterizado pelo fato de que a unidade de gaseificação éadaptada para gaseificar o resíduo em uma temperatura de pelo menos 800°C.

36. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 32 a 35, caracterizado pelo fato de que a unidade de gaseificação contémum dispositivo de trava a ar através do qual o resíduo pode ser introduzido naunidade de gaseificação.

37. Aparelho de acordo com a reivindicação 32, caracterizadopelo fato de que compreende ainda uma unidade para a digestão microbianado resíduo.

38. "Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 33 a 37, caracterizado pelo fato de que a unidade para a digestão microbiana do resíduo é uma unidade de digestão aeróbica rotativa.

39. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 32 a 38, caracterizado pelo fato de que compreende uma unidade dedigestão microbiana, e a unidade de digestão microbiana está em conexãofluida com a unidade de gaseificação, e a unidade de gaseificação está emconexão fluida com a unidade de tratamento de plasma, para permitir que oresíduo tratado do tratamento microbiano seja transportado à unidade degaseificação, e para permitir que o gás de saída e carvão que resultam daetapa de gaseificação sejam transportados à unidade de tratamento de plasma.

40. Aparelho de acordo com a reivindicação 39, caracterizadopelo fato de que o aparelho é adaptado para tratar o resíduo em um processocontínuo.

41. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 32 a 40, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um motor a gásou turbina a gás para gerar eletricidade, a turbina estando em conexão fluida ~- com a unidade de plasma, assim que o gás tratado de plasma da unidade deplasma pode ser alimentado à turbina.

42. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesde 32 a 42, caracterizado pelo fato de que a unidade de pirólise é adaptadapara gaseificar o resíduo em uma temperatura de pelo menos 400°C.