BRPI0611475B1 - Processo de tratamento de materiais sólidos orgânicos e instalação de aplicação do processo - Google Patents

Description

PROCESSO DE TRATAMENTO DE MATERIAIS SÓLIDOS ORGÂNICOS E

INSTALAÇÃO DE APLICAÇÃO DO PROCESSO A invenção se refeit du setor técnico da reciclagem dos sólidos orgânicos, e em particular a reciclagem de madeiras sujas, ai incluídas aquelas tratadas ac CCA (cobre, cromo, arsênico' que são notudameute utilizadas para apiicaçòes tais como postes elétricos, telefônicos, mas também em quaisquer outras aplicações, tais como dejetos agrícolas, por exemplo.

Na aplicação específica da reciclagem das madeiras sujas, um processo de tratamento das madeiras foi assim desenvolvido no âmbito da patente EP 772663 que é a propriedade do Requerente. Esse processo denominado "CHARTHERM" utiliza uma combustão adiabática definida nas fases seguintes.

As madeiras tratadas são moídas sob a forma de cavacos de madeira para serem introduzidos em um reator de grande altura e formando coluna, por um lado, de combustão em sua parte baixa e, por outro lado, de resfriamento em sua parte alta. Na parte baixa do reator, os cavacos são submetidos a uma combustão adiabática provocada por gases quentes com baixo teor em oxigênio e a uma temperatura da ordem de 400°C, a massa de cavacos situados acima da zona de combustão carregando-se do calor excedente transportado pelos gases, provocando um resfriamento progressivo desses gases até atingir uma temperatura inferior a 65cC, formando um gradiente inverso de temperatura e provocando uma condensação que, em contato com os cavacos, deposita sobre eles as part· í cuias ro^ada^entc metálicas, picho e vapor, que os gases de combustão detêm. Os gases de combustão não compressiveis descarregados de todos os metais pesadus sao evacuados fora do reator. 0 teor em: oxigênio dos gases de combustão introduzidos na parte baixa do reator é muito baixe para evitar a inflamação dos cavacos, e aumentar o efeito redutor. 0 carvão de maaeira obtido da combustão dos cavacos inclui a redução dos metais pesados e outros elementos poluentes com vistas a uma reciclagem em outras aplicações de tratamento. A instalação de aplicação do processo "CHARTHERM" é ajustada conforme a seguir: 0 reator composto de uma coluna inclui de baixo para cima da coluna: um cinzeiro estanque equipado com um sistema de evacuação das cinzas; uma entrada dos gases quentes situados na parte baixa do reator; uma grade oscilante, permitindo evacuar os produtos carbonizados e organizar por efeitos vibratórios um escoamento dos cavacos de madeira para baixo; - uma zona de resfriamento e de filtragem dos gases estabelecida acima da zona de combustão; uma entrada estanque de ai imer.iaçãc de cavacos de madeira situada na parte alta do reator; no mesmo nivel desta, uma saída dos gases de combustão protegida por uma grade destinada a evitar o vôo dos cavacos e dos meios de repartição radiai uniforme dos cavacos. 0 processo em si utiliza as seguintes fases: introdução dos materiais tratados moídos sob a forma de cavacos em um reator que forma coluna; combustão dos referidos materiais na parte baixa do reator em apoio sobre uma grade oscilante e resfriamento em sua parte alta; introdução na parte baixa do reator de gases quentes de baixo teor em oxigênio e transferência dos gases na coluna do reator com circuito de reciclagem dos gases, incorporando um gerador de ar quente, um queimador, um compressor e um dispositivo intercalar de lavagem das fumaças e gases reciclados; evacuação das massas de materiais tratados que se encontram no estado de resíduos na parte baixa dos reatores pelo comando da grade móvel.

Na pratica, o processo, tai como descrito, dá resultados de exploração iareressartoc ^cm a obtenção, no final, de cinzas de carvão de madeira.

Todavia, o Requerente quis otimizar ainda esse processo com uma finalidade bem precisa, a saber: a obtenção em fase finai de produtos coletados e reduzidos, podendo constituir uma matéria-prima secundária, o que não é de jeito nenhum possível atualmente. Esse mecanismo do Requerente tem por finalidade também aumentar as capacidades de utilização da instalação, aplicando o processo e, portanto, melhorar ainda sua produtividade e sua rentabilidade.

De acordo com uma primeira característica da invenção, o processo de tratamento de materiais sólidos orgânicos e notadamente para a reciclagem das madeiras tratadas, aplicando as seguintes fases: introdução dos materiais tratados moídos sob a forma de cavacos em uma unidade de reação, formando coluna; aquecimento dos referidos materiais na parte baixa da coluna de reação apoiados sobre uma grade de translaçao e resfriamento em sua parte superior; introdução na parte baixa da coluna de reação de gases quentes de baixo teor em oxigênio e transferência dos gases na coluna de reação com circuito de reciclagem dos gases na saída, incorporando um gerador de gace° quentes, ura queimador, uma bomba presscrizadora e uma reinjeção dos gases reciclados; evacuação das massas de materiais tratados que se encontram no estado de produtos carbor.ados na parte baixa da coluna de reação pelo comando da grade móvel. 0 processo sendo notável pelo fato de aplicar uma operação de destilação a partir da energia fornecida pelos gases quentes embaixo da coluna de reação a uma temperatura TI entre 170 e 370 °C que assegura a função de ruptura das ligações orgânicas entre os materiais, e pelo fato de o processo utilizar, à proporção e à medida que ocorre a operação de destilação, um controle constante entre a temperatura (TI) dos gases quentes antes da entrada na parte baixa da coluna de reação, e a temperatura (T2) dos materiais que se encontram na zona imediatamente acima da grade da coluna do reator, e a comparação relativa em contínuo dessas temperaturas (Tl - T2) , e pelo fato de, quando as temperaturas dos gases (Tl) de introdução e aquela (T2) medida em uma estreita parte de materiais situados acima da grade são idênticas, correspondendo à situação de evacuação de todas as ligações orgânicas dos materiais por evaporação e transporte pelos gases quentes de baixo para cima na coluna, se procede à evacuação da dita parte de material à referida temperatura (Tl = T2) para coletar um produto composto em. grande parte de carbono e constituindo uma matéria-prima «omindári 2.

Essas características e outras ainda sobrcscarrão bem da seqüência aa descrição.

Fara fixar o objeto da invenção ilustrada de maneira não limitativa às figuras dos desenhos, nos quais: a figura 1 representa uma vista da instalação do processo, de acordo com a invenção; - a figura 2 representa uma vista em corte da coluna de reação; a figura 3 representa uma vista de caráter esquemático da grade. A fim de tornar mais concreto o objeto da invenção, ele é descrito então de maneira não limitativa ilustrada nos desenhos. A instalação representada de maneira esquemática na figura 1 compreende uma coluna de reação sob a forma de coluna (1) de grande altura, na qual são encaminhados por cima com o auxilio de um transportador ou equivalente dos cavacos previamente moídos. Esses cavacos contêm naturalmente por sua natureza uma forte proporção de carbono e outros minerais, assim como eventualmente metais pesados resultantes de tratamentos feitos sobre os produtos iniciais, podendo ser, por exemplo, postes em madeira, utilizados em aplicação tel efôrri ca, elétrica ou o^lias, ou dormentes de estrada de ferro, ou janelas ou outros. A coluna de reação (1) é assim integrada, conformo descrito na patente EP 772663, em um circuito (3) de emissão e de circulação de gases quentes, incluindo um gerador de gás quente (4), um queimador Í5), uma bomba pressurizadora í61 , um dispositivo intercalar {9) de lavagem de fumaças e gases reciclados. A base da coluna de reação é assim ajustada com uma grade (7) móvel de translação disposta na parte baixa da coluna de reação e permitindo por um meio de comando apropriado de evacuar as massas de matérias especificas, assim como será precisado na seqüência. 0 material moido introduzido por uma moega (8) na coluna de reação se apoia por gravidade sobre a grade pré- citada. Os gases quentes e pobres em oxigênio são assim introduzidos pela parte baixa (1A) da coluna de reação e empurrados para dentro dessa coluna. A restrição ao escapamento dos gases, no alto da coluna de reação, combinada ao fluxo desses gases e à presença do material no interior do reator, provoca uma perda de carga entre a pressão de introdução dos gases embaixo da coluna de reação e a pressão de saída dos gases no alto da coluna. Essa perda de carga controlada provoca um decréscimo estratíficado das pressões que é acompanhada, no volume constante da coluna, de uma baixa de temperatura desde a parte inferior da coluna de reação até a parte superior desta.

Comparativamente ao processo descrito na patente EF 772663, a temperatura na ’ r>r redução dcc gases ó mais baixa, situando-se err. uma faixa (Tl) de 17 0 a 37 0 °C, em funçào do material introduzido na coluna e com α finalidade de provocar unicamente a ruptura e a evaporação dos componentes orgânicos do material que são na seqüência destilados, resfriados e filtrados, essa temperatura sendo em todo caso inferior à temperatura que gera a combustão adiabática, segundo o processo inicial.

Comparativamente ao processo descrito na patente EP 772663, fazendo no interior uma combustão adiabática com vistas à obtenção de cinzas, a presente invenção utiliza um processo que tem por finalidade obter, em fase final, um produto constituído em grande parte de carbono e podendo ser considerado como uma matéria-prima secundária, e isto graças ao defeito de combustão.

Na prática, o processo, de acordo com a invenção, difere da técnica anterior pré-citada pelo fato de utilizar uma operação de destilação, a partir da qual a energia fornecida pelos gases quentes embaixo da coluna de reação é utilizada para assegurar uma função particular, a saber, a ruptura das ligações orgânicas nos materiais ou cavacos introduzidos na coluna do reator.

Assim, o processo de destilação acarreta a ruptura das ligações orgânicas nos cavacos e materiais introduzidos na coluna de reação, liberando moléculas orgânicas complexas que, se evaporando, são arrastadas pelo fluxo de gases quentes para o alto da coluna de reação. Assim, à medida que as liqações orctânicas se "t meio dos ir.a Le r ra j.s , cavacos são introduzidos na coluna de reação.

Paralelamente, sequndo uma outra disposição considerável da invenção, o processo utiliza, à medida que ocorre a operação de destilação, um controle continuo constante por meios de medida e de regulagem apropriada entre s temperatura (TI) dos gases quentes, antes da entrada na parte baixa da coluna de reação e a temperatura (T2) dos materiais ou cavacos que se encontram acima da grade da coluna de reação. Esse espaço é da ordem de 5 cm. 0 controle constante relativo e continuo entre as temperaturas (T1-T2) permite assim identificar a diferença de variação da temperatura dos materiais que é variável com aquela dos gases quentes que é constante. Quando as duas temperaturas (ΤΙ) (T2) são idênticas ou quase idênticas, isto induz que não haja mais absorção de energia por ruptura de ligações orgânicas dos materiais e cavacos, e assim como todas as ligações orgânicas dos materiais sejam evacuadas por evaporação e transporte pelos gases quentes que circulam de baixo para cima na coluna do reator. A temperatura (T2) dos materiais não ultrapassa e não deve ultrapassar a temperatura (Tl) dos gases. 0 controle constante e continuo das temperaturas (T1-T2) é inerente ao controle da perda de carga entre a parte alta e a parte inferior da coluna do reator, para que o calor não se encontre no alto da coluna. 0 máximo de trocas devendo ocorrer no nivel da grade para que o choque térmico seja britai e apenas mantenha a matéria mineralizada, 0 controle de pressão na parte baixa da coh.ma è feito com o auxílio de uma válvula ivj disposta na parte superior da instalação, no alto da coluna do reator. Assim, quanto maic se aumenra a pressão na parte baixa da coluna, mais a válvula (V) é fechada, deixando uma passagem de gás para a reciclagem, para provocar o máximo de perda de carga possível e melhor estratificação por camadas sucessivas de materiais em presença na coluna.

Assim, a camada (A) de materiais que se situam na coluna de reação em contato com a grade é mineralizada por evaporação de seus componentes orgânicos. A espessura dessa camada é de alguns centímetros e responde exatamente às condições de igualdade ou de quase igualdade das temperaturas (Tl) e (T2) . Na prática, e segundo os estudos e testes feitos, o material mineralizado obtido é essencialmente à base de carbono. 0 processo consiste então em evacuar essa camada de material mineralizado, cuja parte orgânica foi destilada, pela parte baixa da coluna. A grade é colocada em movimento translacional horizontal, o que provoca a liberação das aberturas que ela contém e a evacuação vertical dos materiais que se apoiam sobre ela. Por essa evacuação do material mineralizado, a massa de material que se acha na coluna se enfraquece e isto em um ciclo contínuo. A coluna de reação recebe em sua parte superior um volume de material novo igual àquele evacuado. E3or outro lado, no caso de otimização do processo, a coluna do reator é cônica e é reduzida pora erma, conforma representado na figura 1, evitando a curvatura da carga, favorecendo a troca e a estrat i f í cação. A otimuzuçac do processo resulta também de uma utilização particular da grade (7) . É preciso, para isso, que seia de qualquer forma "transparente” corrí um efeito mínimo quanto a absorção de caí cr que gera a perda de carga. Para isso, a grade é estabelecida segundo dois componentes (7a - 7b), o componente (7a) situado na parte baixa da coluna (1) sendo fixado com uma pluralidade de aberturas (7al) circulares em uma configuração alveolar múltipla. 0 componente (7b) é móvel em relação ao componente (7a) e se encontra em ligeira superelevação em relação a este, graças a meios de deslizamento do tipo rodetes ou similares. 0 componente (7b) prevê orifícios oblongos (7bl) que sobrepõem, portanto, parcialmente as aberturas formadas sobre o componente fixo. A espessura do componente (7b) é da ordem de 1 a 2 cm no máximo. 0 espaço (E) entre os dois componentes (7a -7b) define um calço de gás com leito fluidizado. A camada (A) de material à temperatura (T2) é, portanto, disposta sobre o componente (7b). A mobilidade do componente (7b) é assegurada por quaisquer meios, mecânicos ou outros, em translação para assegurar o movimento, permitindo a transferência da camada (A) de material mineralizado em direção à parte inferior da coluna do reator e sua evacuação.

Assim, de acordo com a invenção, durante as fases operacionais do processo de destilação, de acordo com a invenção, no meio da coluna, as moléculas orgânicas evaporadas são arrastadas pelo fluxo de gases quentes para o alto dessa coluna. Elas encontram, então, temperaturas mais baixas, e as moléculas se condensam de novo sobre uma parede de material mais frio. Todavia, a evacuação oroaressiva e continua das camadas (A) de materiais, cuja j. j temperatura (12/ atingiu aquela de !'T1! dos gases quentes, vai conduzir por uma nova fase de aquecimento das moléculas re-condensadas a uma nova fragmentação ou ruptura, evaporando-se de novo.

Entretanto, as moléculas orgânicas mais leves e mais finas vão se elevar mais alto na coluna de reação e se evaporar. Obtém-se assim um ciclo continuo alternado com fases de re-condensação ou de aquecimento e fragmentação das moléculas orgânicas. Estas serão cada vez mais leves e mais finas para se evacuarem para o alto da coluna do reator.

As moléculas orgânicas mais leves encontrando-se na parte alta da coluna de reação são evacuadas com os gases, visando à operação de reciclagem destes. Nessa segunda situação, as referidas moléculas orgânicas finas e leves restantes são, para uma grande parte, hidrocarbonetos combustíveis.

Os gases na saída da coluna de reação são encaminhados para uma zona de lavagem e de secagem incluídos na instalação e vão ser reintroduzidos no gerador de gases quentes com o ar associado. Isto permite queimar à alta temperatura todas as moléculas orgânicas oriundas do processo de riesri ] ação pré-citadc. Acess^r^amente, a reciclagem dos gases carregados dessas moléculas orgânicas resultantes permite π ma alimentação do queimador com combustíveis leves oriundos da destilação dc material iniciai com uma economia de energia.

Com referência ac processo descrito na patente EP 772 663 anterior pré-citada, a tubulação de reintrodução dos gases carregados dessas moléculas residuais na caldeira é ajustada com aberturas, permitindo a introdução de ar fresco em exatas proporções, de maneira a manter na saída do queimador um gás sempre pobre em oxigênio. Os gases na saída desse gerador de gases quentes, incluindo gases reciclados, são assim introduzidos na parte baixa da coluna de reação. 0 processo de destilação, de acordo com a invenção, assim descrito, oferece numerosas vantagens em relação ao processo inicial. Os gases quentes e neutros fornecem uma energia térmica que libera as moléculas orgânicas do material inicial introduzido na coluna de reação, e o controle das temperaturas e das pressões na coluna permite ter o efeito de destilação ótimo. As fases de re- condensação e de aquecimento das partículas orgânicas, que são sucessivas e se repetem em múltiplas retomadas na coluna de reação, permitem uma destilação progressiva e cada vez mais fina das moléculas, de maneira a se obter um material secundário mineralizado. Este último comporta, segundo os materiais, de 60 a 98 % de carbono em relação ao seu volume total, de 3 9° * no caso da madeira.

Outra vantagem dn processo reside no fato ue que, a temperatura de processo sendo muito mais baixa que a temperatura de fusão das estruturas carbonadas, o carbono do material secundário mineralizadc conserva a mesma estrutura cristalina natural que, quando de sua formação em composto orgânico, isto é, uma estrutura cristalina de tipo grafitico. 0 carbono do material secundário mineralizado é, portanto, friável.

Uma vantagem suplementar do processo reside no fato que os eventuais outros minerais, diferentes do carbono, que não são ligados a este por ligações moleculares orgânicas, perdendo essas ligações, têm tendência a se agruparem e a formarem aglomerados independentes da estrutura carbonada. A aplicação da invenção nessa versão otimizada impede qualquer combustão, tal como descrita na patente EP 772.663.

As vantagens combinadas da friabilidade do carbono do material secundário mineralizado e do fenômeno de aglomerado dos outros minerais, tornam, portanto, possível pensar em aplicar um tratamento posterior dos materiais mineralizados, visando a fabricação de pó de carbono, segundo um outro processo desenvolvido pelo Requerente.

Assim, de acordo com a invenção, c processo de destilação vai muito além em suas ap1ilações e desempenhos que o processo inicial definido em EP 772663. 0 processo de destilação permite um tratamento des materiais mineraiizados, visando a operação de valorização s de recuperação, visando obter o equivalente de matéria-prima, o carbono, o que não era possível realizar anteriormente. A invenção encontra numerosas aplicações para o tratamento dos materiais sólidos orgânicos, reciclagem das madeiras tratadas, mas também, de maneira surpreendente, tratamento de dejetos agrícolas, tratamento de excrementos das aves.

Claims (10)

1. Processo de tratamento de materiais sólidos orgânicos, compreendendo as seguintes fases: - introdução dos materiais tratados moídos sob a forma de cavacos em uma unidade de reação em formato de coluna; - aquecimento dos referidos materiais na parte baixa da coluna de reação apoiados sobre uma grade de translação e resfriamento em sua parte superior; - introdução na parte baixa da coluna de reação de gases quentes de baixo teor em oxigênio, e transferência dos gases na coluna de reação com circuito de reciclagem dos gases na salda, incorporando um gerador de gases quentes, um queimador, uma bomba pressurizadora e uma reinjeção dos gases reciclados; - evacuação das massas de materiais tratados que se encontram no estado de produtos carbonados na parte baixa da coluna de reação pelo comando da grade móvel; caracterizado pelo fato de que o processo aplica uma operação de destilação a partir da energia fornecida pelos gases quentes embaixo da coluna de reação a uma temperatura (Tl) entre 170 e 350 cC que assegura a função de ruptura das ligações orgânicas nos materiais, e utiliza, à proporção e à medida que ocorre a operação de destilação, um controie constante entre a temperatura (Ti; dos gases quentes antes da entrada na parte baixa da coluna de reação e a temperatura (T2)dos materiais que se encontram na zona situada acima da grade da coluna do reator, e a comparação relativa em continuo das referidas temperaturas (Ti - 72), e, quando cs temperaturas dos gases ( Ij. ; de introdução e aquela (T2) medida em uma estreita camada de materiais situados acima da grade são idênticas ou praticamente idênticas , correspondendo à situação de evacuação de todas as ligações orgânicas dos materiais por evaporação e transporte pelos gases quentes de baixo e de cima na coluna, se procede à evacuação da referida camada de material à tal temperatura (T2) para coletar um produto composto em grande parte de carbono e constituindo uma matéria-prima secundária.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a operação de destilação dos materiais é feita segundo um ciclo continuo e progressivo alternado, incluindo fases de recondensação ou de aquecimento e fragmentação das moléculas orgânicas, essas moléculas orgânicas tornando-se cada vez mais leves para se evacuar para o alto da coluna de reação.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a camada de material que se situa na coluna de reação em contato com a grade é mineralizada por evaporação de seus componentes orgânicos, em que, durante as fases operacionais do processo de destilação no meio da coluna, as moléculas orgânicas evaporadas são arrastadas pelo fluxo de gases quentes para 0 alto da coluna e encontrando-se a temperaturas mais baixas, levando-as a se recondensarem, em que a evacuação da parte inferior ae material mineraiizado arrastar na coluna de reação materiais com um novo período de aquecimento ε de fragmentação das moléculas orgânicas, que se tornam sobre o ciclo cada vez mais leves e finas, em que se encher a coluna de reação com uma quantidade nova de material a tratar correspondente àquela evacuada.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que utiliza uma válvula (V) disposta na parte superior da coluna de reação, assegurando a função de controle e de comparação contínua da diferença de pressão entre as partes superior inferior da coluna e, segundo sua regulagem, permite aumentar a pressão na parte baixa da coluna, para favorecer a estratificação das camadas de material.

5. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os gases na saída da coluna de reação serem encaminhados para uma zona de lavagem e de secagem, esses gases podendo incluir moléculas orgânicas em fase gasosa {hidrocarbonetos) oriundas da fase de destilação.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura de uma camada de material em contato com a qrade e oodendo sp «si tnar a uma temperatura (T2) igual àquela (Ti) dos gases quentes de iniroauçào e da ordem de 5 cm,

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que tem aplicação na reciclagem das madeiras tratadas.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que tem aplicação no tratamento dos dejetos agrícolas.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que tem aplicação no tratamento de excremento das aves.

10. Instalação de aplicação do processo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, do tipo que utiliza um reator composto de uma coluna incluindo as partes de baixo e de cima da coluna: - um volume estanque equipado com um sistema de evacuação dos produtos mineralizados; - uma entrada dos gases quentes situados na parte baixa do reator; - uma grade móvel, permitindo evacuar os produtos carbonizados e organizar por efeitos de tesouras um escoamento para baixo dos produtos mineralizados; - uma zona de resfriamento e de filtragem dos gases estabelecida acima da zona de reação; - uma entrada estanque de alimentação de sólidos orgânicos mcidos situada na parte alta do reator; nc ITíC5]7lC· úivci Q6Sld U-i-LUTÍa, UHld SdlQâ CÍCS CJâS0S CÍ0 combustão protegida por uma grade destinada a evitar o vôo dos cavacos e dos meios de repartição radial uniforme dos produtos sólidos orgânicos moidos, caracterizada pelo fato que inclui, na parte alta da coluna, uma válvula (V) que intervém no controle e na comparação continua da diferença de pressão entre a entrada e a saída dos gases na coluna, e meios de medida e de regulagem segundo um controle contínuo da temperatura (Tl) dos gases quentes antes da entrada na parte baixa da coluna do reator, e da temperatura (T2) dos materiais que se encontram na zona imediatamente acima da grade, e que inclui uma grade (6) constituída de dois componentes (7a - 7b), um componente fixo (7a) na parte baixa da coluna e um componente móvel (7b) situada acima, em superposição, definindo um espaço sob a forma de calço de gás com leito fluidizado, os referidos componentes (7a - 7b) tendo, cada um, aberturas (7al - 7 b 1) respectivamente circulares e oblongas para permitir a passagem e o escoamento dos materiais, em que a coluna é cônica com parte reduzida voltada para cima.