BRPI0706225A2

BRPI0706225A2 - processo e dispositivo para tratar um material

Info

Publication number: BRPI0706225A2
Application number: BRPI0706225-7A
Authority: BR
Inventors: Peter Christiaan Albert Bergman
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2011-03-22
Also published as: PL1969099T5; PL1969099T3; ATE544835T2; EP1969099B2; RS52254B; ZA200805887B; US8105400B2; CA2636285A1; ES2380961T3; EA012806B1; EA200870159A1; US20090084029A1; BRPI0706225B1; CR10131A; HN2008001023A; EP1969099A1; PT1969099E; EP1969099B1; JP5118060B2; CA2636285C

Abstract

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA TRATAR UM MATERIAL. é descrito um processo para tratar biomassa que compreende a provisão de um material que contém uma quantidade de umidade residual. O material é aquecido a uma temperatura de torrefação em uma atmosfera de baixo oxigênio no reator de torrefação, o material sendo convertido a um material torrificado. O material com a umidade residual contida é essencialmente seco completamente em uma câmara de secagem pela evaporação de umidade residual. O reator de torrefação compreende uma câmara de torrefação, na qual a torrefação deste material seco é essencialmente realizada. O material é transferido através do reator de torrefação em uma direção de transporte. A secagem do material na câmara de secagem é realizada introduzindo-o em um gás de secagem quente que ecoa através da câmara de secagem em co-corrente com o material. A torrefação do material na câmara de torrefação do reator de torrefação é realizada introduzindo-o em um gás de torrefação quente que escoa através da câmara de torrefação do reator de torrefação em contracorrente com o material.

Description

"PROCESSO E DISPOSITIVO PARA TRATAR UM MATERIAL"

A invenção diz respeito a um processo para tratar um material,tal como biomassa ou resíduo, compreendendo:

- a provisão de um material que contém uma quantidade deumidade residual;

- a provisão de um reator de torrefação;

- o aquecimento do material no reator de torrefação a umatemperatura de torrefação em uma atmosfera de baixo oxigênio no reator detorrefação, em que o material é convertido a um material torrificado.

O termo "material" ou "matéria-prima" é usado aqui paradenotar vários tipos de materiais ou matérias-primas. Neste pedido de patente,o termo "material" ou "matéria-prima" refere-se não somente a biomassa ouresíduo, mas também a qualquer material orgânico. Em virtude de o materialconter carbono, ele é geralmente combustível. O material pode ser derivado,por exemplo, de resíduos (agrícolas) ou restos.

Um processo como esse é conhecido. No estado não tratado,muitos materiais são relativamente úmidos. O material geralmente contémágua livre (não ligada) e ligada (fracamente). A água ligada ou fracamenteligada é absorvida pela própria matéria-prima natural. Por exemplo, biomassade origem de planta, tais como podas e grama cortada, contém umaquantidade desejável de umidade por natureza.

Além disso, biomassa pode ser bastante úmida, em decorrênciado ato de lavá-la ou submetê-la a um tratamento com água alternativo a fimde reduzir o teor de sal da biomassa. A remoção de sais é desejável, emvirtude de sais na biomassa usados como um combustível levarem maisrapidamente à formação de corrosão na câmara de combustão de uma estaçãode força. Esses sais também reduzem a qualidade da cinza produzida durantea combustão do combustível de biomassa, que prejudica a utilização destacinza. Sais solúveis em água podem em particular ser lavados da biomassa deorigem planta, tal como palha.

A matéria-prima normalmente tem um teor de umidade de 5-15 %, isto é, uma quantidade de umidade residual é contida no material. Estematerial com a umidade residual é introduzido no reator de torrefação.

Torrefação é um método de tratamento termoquímico para material, nestemétodo, o material é aquecido em uma atmosfera gasosa de baixo oxigênio(com quantidades subestequiométricas de oxigênio) ou sem oxigênio,normalmente sob pressão atmosférica a uma temperatura de 200-320 °C. Afalta de oxigênio impede que o material se queime. Em vez disso, o material étonificado, que leva a perda de massa, em virtude da eliminação de gases.

Esta perda de massa em geral chega a cerca de 30 %, ao passo que o valor deenergia é somente reduzido em 10 %. O combustível produzido pelatorrefação, portanto, tem um alto valor calorífico.

A torrefação também causa mudanças químicas na estrutura domaterial. O material perde sua resistência mecânica e elasticidade, de formaque fica muito mais fácil moê-lo. Além disso, material tonificado éhidrofóbico e, portanto, permanece seco e é insensível a umidade atmosférica.

O risco de putrefação e superaquecimento é muito pequeno, quando omaterial que foi produzido por tonefação é armazenado.

A temperatura do material é elevada no reator de torrefação.

Entretanto, antes de a torrefação do material poder oconer, a umidaderesidual tem que ser primeiramente evaporada do, material. O material évirtualmente seco por completo no reator de torrefação pela evaporação daumidade residual. A real torrefação do material somente ocone depois que aumidade residual tiver sido evaporada. A torrefação começa tão logo atemperatura do material exceda cerca de 200 °C. Entretanto, a temperatura detonefação, em geral, é maior, sendo cerca de 250 °C.

Uma quantidade considerável de vapor é gerada no reator detonefação quando a umidade residual é evaporada no reator de torrefação.Isto pode levar a uma corrente de gás com movimento relativamente rápidoescoando no reator, que aumenta a queda de pressão sobre o reator. Alémdisso, a energia necessária para evaporar a umidade residual é muito maiorque a energia necessária para a torrefação. Em particular, em um reator detorrefação baseado em contato direto entre o gás e o material, uma quantidaderelativamente grande de gás quente tem que ser introduzida no reator detorrefação a uma alta temperatura de entrada, que aumenta ainda mais aquantidade de gás que tem que passar através do reator de torrefação. Istoprejudica a implementação do método de tratamento.

Um objetivo da invenção é prover um processo melhoradopara tratar material.

Este objetivo é alcançado de acordo com a invenção em que oreator de torrefação compreende uma câmara de secagem e uma câmara detorrefação, o material com a umidade residual contida nele sendoessencialmente seco por completo na câmara de secagem pela evaporação daumidade residual, e a torrefação do material seco sendo essencialmenterealizada na câmara de torrefação, e o material sendo transferido através doreator de torrefação em uma direção de transporte, e a secagem do material nacâmara de secagem sendo realizada introduzindo nele um gás de secagemquente que escoa através da câmara de secagem em co-corrente com omaterial, e a torrefação do material na câmara de torrefação do reator detorrefação sendo realizada introduzindo nele um gás de torrefação quente queescoa através da câmara de torrefação do reator de torrefação em contracorrente com o material.

De acordo com a invenção, o material é seco na câmara desecagem, depois do que o material é torrificado na câmara de torrefação. Acâmara de secagem e a câmara de torrefação formam dois espaços separadosaqui. Diferente de processos conhecidos, a evaporação de umidade residual domaterial e a torrefação do material de acordo com a invenção formam doisestágios separados, cada um dos quais pode ser otimizado.

O material é quase completamente seco na câmara desecagem, o que exige uma quantidade relativamente grande de energia. Aevaporação de umidade residual do material é eficiente, em virtude de omaterial e o gás quente moverem-se em contracorrente um com o outro. Acâmara de secagem é projetada especificamente para a secagem do material.

Quando um gás quente é introduzido, que está, por exemplo,em contato direto com o material, a temperatura do material no reator detorrefação aumenta até uma temperatura de torrefação. Uma vez que este gásquente escoa em contra corrente com o material, a temperatura do gás quente"segue" a temperatura do material. A temperatura do material e a temperaturado gás quente ambas aumentam na direção de transporte do material. Atemperatura de entrada do gás quente então precisa estar somente um poucoacima da temperatura do material na saída. Existe apenas um pequeno riscode "pontos quentes" se desenvolverem no material seco, ou de ocorrertorrefação descontrolada ou pirólise. Apenas uma quantidade relativamentepequena de energia precisa ser introduzida na câmara de torrefação, quepermite uma melhor dosagem e/ou ajuste fino da entrada de energia. Emdecorrência disto, a temperatura de torrefação na câmara de torrefação podeser ajustada e controlada com precisão.

Uma vantagem adicional da invenção é que as temperaturasexigidas dos gases quentes introduzidos - gás de secagem e gás de torrefação- são relativamente baixas. Isto facilita a produção desses gases quentes. Porexemplo, a temperatura do gás quente introduzido na câmara de torrefação éna faixa de 200-400 °C, sendo, por exemplo, cerca de 300 °C. A torrefaçãocontrolada pode ser realizada na câmara de torrefação a uma temperaturacomo essa. Além do mais, a temperatura do gás quente introduzido na câmarade secagem pode ser na faixa de 150-600 °C, sendo, por exemplo, cerca de350 °C. Esta temperatura é particularmente adequada para a secagempraticamente completa do material, tal como a um teor de umidade < 3 %.Essas temperaturas são suficientemente baixas para a produção usando, porexemplo, óleo térmico.

Quando a câmara de secagem e a câmara de torrefação sãoacomodadas no reator de torrefação, a câmara de secagem e a câmara detorrefação formam dois espaços de reação do reator de torrefação. A secagemdo material pela evaporação da umidade residual é essencialmente realizadano primeiro espaço de reação, isto é, na câmara de secagem, e a torrefação domaterial é essencialmente realizada no segundo espaço de reação, isto é, nacâmara de torrefação. O material é de fato quase completamente seco aquipela evaporação da umidade residual no reator de torrefação, mas o processono reator de torrefação é separado de acordo com a invenção em dois estágios,cada um dos quais pode ser otimizado.

Entretanto, é também possível de acordo com a invençãoalojar a câmara de secagem em um secador de umidade residual, e alojar acâmara de torrefação no reator de torrefação. Neste caso, o secador deumidade residual forma um dispositivo separado, que é alojadoseparadamente do reator de torrefação. O secador de umidade residual podeser projetado de forma a garantir a evaporação eficiente da umidade residualdo material. O secador de umidade residual é conectado no reator detorrefação para a transferência do material quase completamente seco dosecador de umidade residual para a câmara de torrefação.

É possível de acordo com a invenção que o gás de secagem,depois que ele tiver movimentando em co-corrente com o material e tiver sidoassim resfriado, deixe a câmara de secagem, e seja introduzido no primeirotrocador de calor, que aquece este gás de secagem, depois do que o gás desecagem aquecido pelo primeiro trocador de calor é introduzido na câmara desecagem, e o gás de torrefação depois de ele ter movimentado em contracorrente com o material e tiver sido assim resfriado, deixar a câmara detorrefação e ser introduzido em um segundo trocador de calor, que aqueceeste gás de torrefação, depois do que o gás de torrefação que foi aquecidopelo segundo trocador de calor é introduzido na câmara de torrefação. Nestecaso, o gás de secagem circula em um primeiro circuito, enquanto o gás detorrefação circula em um segundo circuito. Com uso de dois circuitos, cadaqual com seu próprio trocador de calor, é possível garantir uma recuperaçãode energia eficiente do gás de secagem e do gás de torrefação.

Em particular, a provisão do material pelo processo de acordocom a invenção compreende introduzir uma matéria-prima relativamenteúmida em um secador, e aquecer o material no secador para evaporar umidadedo material até que a quantidade de umidade residual permaneça nele, omaterial que foi seco no secador sendo introduzido na câmara de secagem. Amatéria-prima relativamente úmida tem um teor de umidade, por exemplo, demais de 15 %. O material relativamente úmido pode então ser termicamenteseco em um secador, tal como um secador de tambor rotativo, antes de serintroduzido na câmara de secagem do reator de torrefação ou no secador deumidade residual. À medida que o material é aquecido no secador, atemperatura aumenta suficientemente para evaporar umidade do material. Omaterial não é completamente seco no secador, isto é, uma quantidade deumidade residual é deixada no material. A umidade residual é basicamenteformada por água ligada no material. Na prática, energia é introduzida nosecador até que o teor de umidade do material seja cerca de 10-15 %. Abiomassa é então 85-90 % seca. A redução do teor de umidade no secadoradicionalmente reduziria o rendimento de todo o método de tratamento. Porexemplo, o secador não é adequado para secar o material ainda mais de umamaneira economicamente eficiente.

Incidentalmente, material com um teor de umidade superior a15 % pode certamente também ser alimentado no reator de torrefação semsecagem ou pré-secagem preliminar em um secador separado. Por exemplo,palha pode ser alimentada diretamente no reator de torrefação de acordo coma invenção sem secagem preliminar. A secagem dessa palha então ocorrecompletamente na câmara de secagem do reator de torrefação de acordo coma invenção. Ao contrário, algumas vezes pode ser desejável primeiro pré-secaro material do secador que contém somente uma quantidade relativamentepequena de umidade, tal como 5 % ou menos.

O material de acordo com a invenção deve preferivelmenteconter partículas sólidas que passam através do reator de torrefação na formade um leito móvel compactado. Neste caso, o reator de torrefação é operadocom base no princípio da tecnologia de leito móvel.

A invenção também diz respeito a um dispositivo para tratarmaterial, compreendendo um reator de torrefação, no qual material pode seralimentado, o qual contém uma quantidade de umidade residual, cujo reatorde torrefação é provido com uma entrada para a introdução deste material noreator de torrefação, meio de aquecimento para aquecer o material no reatorde torrefação até uma temperatura de torrefação, dispositivo de tratamento dear para criar um ambiente de baixo oxigênio (com quantidadessubestequiométricas de oxigênio) no reator de torrefação, em que o materialpode ser convertido em material torrificado durante a operação, e uma saídapara remover o material tonificado.

De acordo com a invenção, o reator de torrefação compreendeuma câmara de secagem e uma câmara de torrefação, cuja câmara de secagemé adaptada para a secagem essencialmente completa do material pelaevaporação da umidade residual e cuja câmara de torrefação é adaptada paratonificar o material, e em que a câmara de torrefação fica localizada à jusanteda câmara de secagem quando vista na direção de fluxo do material, e em quea câmara de secagem tem pelo menos um orifício de entrada para gás desecagem e pelo menos um orifício de saída para o dito gás de secagem equalquer gás e/ou vapor formado durante a evaporação de umidade residual,cujo orifício de entrada para gás de secagem fica localizado na extremidadeda câmara de secagem que fica voltada para a entrada, e o orifício de saídafica localizado na extremidade oposta da câmara de secagem, e em que acâmara de torrefação tem pelo menos um orifício de entrada para gás detorrefação e pelo menos um orifício de saída para o dito gás de torrefação egás de torrefação formado no processo de torrefação, cujo orifício de entradapara gás de torrefação fica localizado na extremidade da câmara de torrefaçãoque fica voltada para a saída, e o orifício de saída fica localizado naextremidade oposta da câmara de torrefação.

O gás de secagem e o gás de torrefação são ambos gasesquentes. O gás de secagem quente é para evaporação de umidade residual nacâmara de secagem, ao passo que o gás de torrefação quente é para oaquecimento do material quase completamente seco na câmara de torrefaçãoaté a temperatura de torrefação exigida. Gases de torrefação combustíveis sãoformados durante o processo de torrefação na câmara de torrefação e podemser removidos através do orifício de saída.

Durante a operação, o material é transferido através do reatorde torrefação em uma direção de transporte. O material é seco na câmara desecagem pela introdução de um gás de secagem quente nele através de um oumais orifícios de entrada em co-corrente com o material. A torrefação domaterial na câmara de torrefação do reator de torrefação é realizadaintroduzindo nele um gás de torrefação quente através de um ou mais orifíciosde entrada na câmara de torrefação. O gás de torrefação quente escoa atravésda câmara de torrefação do reator de torrefação em contra corrente com omaterial. O gás de secagem e o gás de torrefação escoam um em direção aooutro pelas extremidades opostas do reator de torrefação. Esses gases seencontram nos orifícios de saída localizados entre a entrada dos orifícios deentrada de gás de secagem e os orifícios de entrada de gás de torrefação. Istogarante uma separação de gás entre a câmara de secagem e a câmara detorrefação. A câmara de secagem e a câmara de torrefação ficam localizadasem extremidades opostas da separação de gás - a separação de gás delimita acâmara de secagem e a câmara de torrefação uma em relação à outra.

Diferente da tecnologia anterior, em que o material pode ser quasecompletamente seco pela evaporação da umidade residual no reator detorrefação, o processo no dispositivo de acordo com a invenção pode serdividido em dois estágios que podem ser ajustados de uma maneira ideal.

Quando a câmara de secagem e a câmara de torrefação ficamalojadas no reator de torrefação, a câmara de secagem e a câmara detorrefação formam dois espaços separados no mesmo reator de torrefação. Emuma modalidade alternativa, a câmara de torrefação fica localizada, porexemplo, em uma camada de umidade residual, e a câmara de torrefação ficalocalizada no reator de torrefação. Neste caso, o secador de umidade residualforma uma entidade separada que é alojada separadamente em relação aoreator de torrefação.

É possível, de acordo com a invenção, prover um secador noqual um material relativamente úmido pode ser suprido, cujo secador temmeio de aquecimento para aquecer este material a fim de evaporar umidadedo material até que a quantidade de umidade residual permaneça nele, e omaterial seco no secador podendo ser alimentado na câmara de secagem doreator de torrefação. Isto torna o dispositivo de acordo com a invençãoadequado para manuseio de material relativamente úmido, por exemplo,material com um teor de umidade de cerca de 15 %, 25 % ou mais. O materialrelativamente úmido pode ser termicamente pré-seco no secador antes de eleser alimentado na câmara de torrefação.

O dispositivo de acordo com a invenção pode portantocompreender dois secadores e uma câmara de torrefação. O primeiro secadorforma um secador preliminar que é usado para reduzir o teor de umidade, porexemplo, para cerca de 5-15 %. O segundo secador é formado pela câmara desecagem no reator de torrefação ou pelo secador de umidade residualsupradescrito.

Em uma modalidade da invenção, o reator de torrefação élimitado por uma parede periférica, a câmara de secagem e a câmara detorrefação estendendo-se como uma continuação uma da outra dentro daparede periférica. Quando vista na direção de fluxo do material, a câmara desecagem fica localizada entre a entrada para o material e a câmara detorrefação, e a câmara de torrefação fica localizada entre a câmara de secageme a saída do material tonificado.

Em uma modalidade da invenção, o reator de torrefação émontado na posição vertical, inúmeros orifícios de entrada sendo providosdentro da parede periférica, uma acima do outro, para gás de secagem. Estereator de torrefação pode ser, por exemplo, vertical, ou ele pode ser montadoem um ângulo. Uma vez que esses orifícios são distribuídos em torno daperiférica da parede periferia, o gás pode penetrar no material que ficalocalizado centralmente dentro da parede periférica. O material temoportunidade suficiente para secar por toda sua seção transversal dentro daparede periférica.

O material pode mover-se de cima para baixo dentro da paredeperiférica pela ação da gravidade. Entretanto, é também possível que omaterial escoe através do reator de torrefação de baixo para cima. Com estepropósito, um dispositivo de alimentação é provido, por exemplo, tal comoum elemento de parafuso ou um pistão, que pode mover-se para cima e parabaixo dentro da parede periférica. O dispositivo de alimentação pode ficarlocalizado fora da parede periférica quente do reator de torrefação. A cargatérmica do dispositivo de alimentação é assim reduzida.

Em uma modalidade da invenção, a saída é conectada a umacâmara de resfriamento e o material torrificado pode ser introduzido pelacâmara de torrefação na câmara de resfriamento. Por exemplo, o dispositivode alimentação empurra o material dentro da parede periférica do reator detorrefação para cima até que o material atinja uma parte de transbordamento.

O material torrificado superequilibra ao longo da borda da parte detransbordamento e cai além dela na câmara de resfriamento. A câmara deresfriamento é no geral provida com orifícios de entrada para gás deresfriamento. O gás de resfriamento resfria o material tonificado.

A invenção será agora explicada mais detalhadamente comreferência a uma modalidade exemplar ilustrada nas figuras.

A figura 1 mostra um fluxograma de processo esquemáticopara o processo de tratar biomassa de acordo com a invenção.

A figura 2 mostra um gráfico no qual a temperatura dabiomassa, o teor de umidade da biomassa e a energia introduzida no processo(em uma base cumulativa) são colocados em gráfico em função do tempo.

A figura 3 mostra uma vista em seção transversal de um reatorde torrefação de acordo com a invenção.

A figura 4 mostra um gráfico no qual a temperatura do gás desecagem, do gás de torrefação e da biomassa é colocada em gráfico em funçãoda distância vertical no reator de torrefação.

A figura 5 mostra um diagrama de processo esquemático nocaso de uma segunda modalidade de um processo para tratar biomassa deacordo com a invenção.

O projeto do processo e dispositivo de acordo com a invençãoserá descrito a seguir com a ajuda das figuras para tratar biomassa. Entretanto,a invenção não está limitada à biomassa, mas pode ser aplicada a todos ostipos de materiais. Por exemplo, vários materiais de baixa mobilidade, talcomo resíduo não biodegradável, podem ser tratados de acordo com ainvenção.

O dispositivo para tratar biomassa de acordo com a invençãoestá indicado na sua totalidade por 1. O dispositivo para tratar biomassa 1compreende nesta modalidade um secador 3, que age como um secadorpreliminar. O secador 3 tem uma entrada 5 para a introdução de biomassaúmida no secador 3. 0 secador 3 também tem uma entrada 6 para gás quente,que está a uma temperatura, por exemplo, de cerca de 800 °C.

O gás quente introduzido sobe a temperatura da biomassa nosecador 3, mas não reduz o teor de umidade na biomassa inicialmente. Esteestágio é denominado "pré-aquecimento" na figura 2. À medida que atemperatura sobe, a umidade começa evaporar da biomassa. Quando atemperatura da biomassa atinge a temperatura de vaporação, a água livre efracamente ligada evapora da biomassa, enquanto a temperatura permanecevirtualmente constante. Este estágio é denominado "pré-secagem" na figura 2.

A biomassa é seca no secador 3 até que cerca de 7-15 % de teor de umidaderesidual permaneça nela. A biomassa pré-seca então deixa o secador 3 poruma saída 7. A maior parte da energia dos gases quentes introduzidos é usadapara a secagem da biomassa, de maneira que sua própria temperatura caiapara 70-80 °C. Os gases frios são removidos do secador 3 através de umasaída 8.

O dispositivo 1 para tratar biomassa também compreende umreator de torrefação 10. O reator de torrefação de acordo com a invenção temuma entrada 11 que é conectada na saída 7 do secador 3. A biomassa pré-secapode portanto ser introduzida no reator de torrefação 10 pela entrada 11. Oreator de torrefação 10 também tem pelo menos um orifício de entrada 12.

Um gás quente escoa pelo orifício de entrada 12 para o reator de torrefação10, de forma que a transferência de calor ocorra pelo contato direto entre ogás quente e a biomassa. Entretanto, de acordo com a invenção, o reator detorrefação pode também ser construído para uma troca de calor indireta entreo gás quente e a biomassa.

A figura 2 mostra que a temperatura da biomassa temprimeiramente que aumentar antes que a torrefação possa ocorrer. Depois detudo, a temperatura mínima necessária para a torrefação é cerca de 200 °C. Amedida que a temperatura aumenta, a água ligada evapora da biomassa atéque a biomassa fique virtualmente sem umidade. Este estágio é denominado"pós-secagem e aquecimento" na figura 2. Esta pós-secagem e aquecimentosão realizadas de acordo com a invenção em uma câmara de secagem doreator de torrefação, que será explicado com mais detalhes posteriormentecom ajuda da figura 3.

A biomassa então será tonificada (ver "torrefação" na figura 2)em uma câmara de torrefação do reator de torrefação. Durante o processo detorrefação, a temperatura aumenta de cerca de 200 0C até que umatemperatura de torrefação máxima Ttorr seja tingida no ponto A na figura 2. Atemperatura Ttorr pode ser regulada e afeta as propriedades do combustível debiomassa. A qualidade do produto da biomassa tonificada é atingida no pontoA, mas, em geral, ainda não são formados gases de torrefação combustíveissuficientes. A temperatura de torrefação máxima Ttorr é mantida além desteponto A, de forma que a quantidade de gases de torrefação combustíveisaumenta no reator de torrefação 10. A qualidade da biomassa torrificada étambém melhorada ainda mais aqui. Os gases de torrefação combustíveisdeixam o reator de torrefação 10 através de pelo menos um orifício de saída 14.

O orifício de saída 14 é conectado a uma unidade decombustão 20 com a ajuda de um tubo 16. A unidade de combustão 20 temuma entrada de ar 22. Os gases de torrefação introduzidos na unidade decombustão 20 queimam nela, que dá origem a um gás combustível muitoquente. O gás combustível tem uma temperatura, por exemplo, que fica nafaixa de 1.000 - 1.600 °C, sendo, por exemplo, 1.200 °C. A unidade decombustão 20 tem uma saída 24 para a remoção deste gás combustível. Aunidade de combustão 20 pode também ter uma entrada 23 para combustíveladicional. A entrada 23 é desejável, por exemplo, quando os gases detorrefação não são combustíveis, ou que dão origem a um gás combustívelque não é quente o bastante.

O dispositivo 1 mostrado na figura 1 para tratar biomassatambém compreende um trocador de calor 30. O trocador de calor 30 tem umaentrada 32 para gás combustível quente, cuja entrada é conectada na saída 24da unidade de combustão 20 coma ajuda de um tubo 25. Além do mais, otrocador de calor 30 tem uma entrada 33 para gás de torrefação. Do tubo 16que conecta o reator de torrefação 10 na câmara de combustão 20, existe umalinha de derivação 17 que vai até a entrada 33 do trocador de calor 30. Umventilador 18 é provido na linha de derivação 17. Portanto, parte do gás detorrefação que deixa o reator de torrefação 10 escoa para o trocador de calor30 através da linha de derivação 17, do ventilador 18 e da entrada 33. O gáscombustível que entra pela entrada 32 aumenta a temperatura do gás detorrefação para cerca de 200-400 °C. Em decorrência disto, o próprio gáscombustível resfria para cerca de 500-1.000 °C. O gás combustível frio entãodeixa o trocador de calor 30 pela saída 34, que é conectada na entrada 6 dosecador 3.

O trocador de calor pode ser tanto do tipo direto quantoindireto. No caso de trocador de calor direto, o gás de torrefação e o gáscombustível ficam em contato direto um com o outro. Em um trocador decalor indireto, o gás combustível quente a uma temperatura de 1.000 - 1.6000C é usado para aquecer, por exemplo, um óleo a 250-400 0C, e o óleo quenteentão aquece o gás de torrefação. Depois disso, este gás de torrefaçãoaquecido escoa para a câmara de torrefação pelo orifício de entrada 12.

A biomassa torrificada é removida do reator de torrefação 10por uma saída 13. A biomassa torrificada é então transferida para umrefrigerador 40, onde a biomassa por resfriar até a temperatura ambiente. Istoestá indicado por "resfriamento" na figura 2.

Embora a figura 1 mostre o reator de torrefação 10esquematicamente na forma de um único diagrama de blocos, o reator detorrefação 10 de acordo com a invenção compreende pelo menos dois espaçosdo reator. O primeiro espaço do reator provê a câmara de secagem, ao passoque o segundo espaço do reator forma a câmara de torrefação. O reator detorrefação 10 de acordo com a invenção está mostrado na figura 3 com maisdetalhes.

O reator de torrefação 10 fica essencialmente na posiçãovertical quando ele está em operação. O reator de torrefação 10 compreendeuma parede periférica 50, uma seção inferior 51 e uma seção superior 52. Aentrada 11 para introdução de biomassa no reator de torrefação 10 ficalocalizada em um lado da seção inferior 51. A seção inferior 51 compreendeum dispositivo de alimentação 53 para transferir a biomassa para cima dentroda parede periférica 50. O dispositivo de alimentação 53 está mostradoesquematicamente na figura 3. A parede periférica 50 no reator de torrefaçãoé cheia com biomassa durante operação.

O dispositivo de alimentação 53 pode ter vários desenhos. Porexemplo, o dispositivo de alimentação compreende dois pistões e uma válvulade suporte. O primeiro pistão pode mover-se através da entrada 11 paraempurrar a biomassa para o segundo pistão, que pode mover-se para cima epara baixo dentro da parede periférica. A válvula de suporte pode mover-seentre uma posição de suporte e uma posição livre. Quando pistão tiveratingido o final de seu curso, a válvula de suporte move-se sobre a posição desuporte para suportar a biomassa dentro da parede periférica. O segundopistão pode então mover-se para baixo, depois do que o primeiro pistão podenovamente carregar uma quantidade de biomassa nele. Entretanto, odispositivo de alimentação pode também ser projetado como um transferidorsem-fim. O desenho do dispositivo de alimentação 3 depende da orientação dareação de torrefação, que pode ser essencialmente vertical, horizontal ouinclinada em um ângulo entre as duas.Dentro da parede periférica 50, o reator de torrefação 10 édividido em um primeiro espaço de reação ou câmara de secagem 54 para aevaporação de umidade residual da biomassa, e um segundo espaço de reaçãoou câmara de torrefação 55 para torrefação da biomassa. Nesta modalidadeexemplar, não existe separação física entre a câmara de secagem 54 e acâmara de torrefação 55, e os espaços de reação 54 e 55 são contínuos. Atransição entre os espaços de reação 54 e 55 está indicada pela linha tracejadaC. Nesta modalidade exemplar, a câmara de secagem 54 e a câmara detorrefação 55, portanto, não são câmaras encerradas, mas formam um espaçode secagem 54 e espaço de torrefação 55 contínuos.

A câmara de secagem 54 fica, portanto, localizada entre aentrada de biomassa Ilea câmara de torrefação 55. A câmara de secagem 54tem inúmeros orifícios de entrada 12a para a introdução de um gás desecagem quente. O gás de secagem introduzido vem do trocador de calor 30(ver figura 1) e tem uma temperatura, por exemplo, de 100-400 °C. O gás desecagem e a biomassa movem-se em co-corrente um com o outro na câmarade secagem 54.

Uma vez que inúmeros orifícios de entrada 12a são colocadosuns sobre os outros, o gás de secagem pode penetrar na biomassa no local donúcleo dentro da parede periférica. O gás de secagem que é introduzido peloorifício de entrada superior 12a forma uma corrente de gás quente ao longo dolado de dentro da parede periférica 50. Por causa deste fluxo, o gás desecagem que foi introduzido pelo orifício de entrada 12a abaixo do primeiro éforçado a mover-se para fora da parede periférica 50 e é direcionadoradialmente para dentro. Isto está indicado esquematicamente pelas setas D.Isto garante que não somente a biomassa pela parede periférica, mas tambéma biomassa no meio, pode ser completamente seca.

Vapor é gerado durante a secagem da biomassa na câmara desecagem 54. Parte deste vapor e do gás de secagem resfriado pela evaporaçãodeixa o reator de torrefação 10 pelos orifícios de saída 15, localizados dentroda parede periférica 50. O vapor produzido preferivelmente passa amplamentepara a câmara de torrefação 55 do reator de torrefação 10, em virtude de ovapor em geral conter uma quantidade considerável de compostos orgânicos.

Quando a biomassa ultrapassa o nível indicado pela linhatracejada C, a biomassa está quase totalmente seca, isto é, a umidade residualfoi quase completamente evaporada da biomassa. O teor de umidade dabiomassa é então preferivelmente < 3 %. A temperatura da biomassa subiupara cerca de 200 0C ao mesmo tempo. Portanto, o que acontece acima donível mostrado pela linha tracejada C é torrefação. A biomassa fica entãolocalizada na câmara de torrefação 55 para torrefação da biomassa.

A câmara de torrefação 55 tem orifícios de entrada 12b paragás de torrefação, que ficam localizados na seção superior 52 do reator detorrefação 10. O gás de torrefação é o gás quente introduzido na câmara detorrefação para tonificar a biomassa. O gás de torrefação é derivado dotrocador de calor 30 (ver figura 1), exatamente como o gás de secagem. O gásde torrefação escoa dos orifícios de entrada 12b para baixo através dabiomassa. O gás de torrefação move-se em contra corrente com a biomassa.

No segundo espaço de reação 55, a biomassa é tonificada à medida que elamove-se para cima. À medida que a biomassa é aquecida até a temperatura detorrefação máxima Tton, gases de torrefação combustíveis são formados nosegundo espaço de reação 55. A quantidade de gás de torrefação combustívelaumenta, mantendo-se esta temperatura por um certo tempo. O gás detorrefação introduzido e os gases de torrefação formados deixam o segundoespaço de reação 55 pelos orifícios de saída 14.

A mistura de gás que deixa o reator de torrefação 10 pelosorifícios de saída 14 portanto conterá relativamente pouco vapor de acordocom a invenção. O fluxo no tubo 16 na linha de derivação 17 (ver figura 1) éportanto relativamente limitado, o que reduz a potência exigida do ventilador18. Além disso, o gás de torrefação combustível descarregado dificilmenteserá diluído com vapor proveniente da câmara de secagem 54, caso seja. Istotem um efeito favorável nas propriedades de queima na unidade de combustão20 (válvula de exaustão rápida figura 1).

O reator de torrefação 10 tem uma parte de transbordamento58. À medida que a biomassa tonificada é empurrada sobre a borda da partede transbordamento 58, ela superequilibra ao longo da parte detransbordamento 58 e cai na unidade de resfriamento 40. A unidade deresfriamento tem um orifício de entrada 41 para a introdução de gás deresfriamento. A temperatura da biomassa tonificada diminui até a temperaturaambiente na câmara de resfriamento 40. A biomassa resfriada deixa a unidadede resfriamento 40 pela saída 42.

A figura 4 mostra a temperatura da biomassa, do gás desecagem e do gás de torrefação em função da altura z dentro do reator detorrefação (ver figura 3). A temperatura da biomassa está mostrada pela linhainferior E, ao passo que a temperatura do gás de secagem e a temperatura dogás de tonefação estão mostradas pelas linhas FeG, respectivamente. Aseparação entre a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55 estánovamente mostrada por uma linha tracejada C.

A figura 4 refere-se ao processo de acordo com a invençãodescrito no caso da figura 3. A biomassa e o gás de secagem movem-se nacâmara de secagem 54 em co-conente uma com a outra. Em decorrênciadisto, a umidade residual pode ser eliminada da biomassa de forma rápida eeficiente. Na câmara de tonefação 55, a biomassa e o gás de tonefaçãointroduzido movem-se em contra corrente um com o outro. Isto possibilitacontrolar a temperatura de tonefação máxima com precisão.

A figura 5 mostra uma segunda modalidade de um dispositivopara tratar biomassa, onde números de referência iguais denotam partesiguais. A operação e construção conespondem essencialmente ao processo edispositivo para tratar biomassa supradescritos, e esta modalidade tambémtem as vantagens supramencionadas. A modalidade ilustrada na figura 5 serádescrita a seguir com mais detalhes.

O secador usado para pré-secar a biomassa não está mostradona figura 5. A biomassa, quer pré-seca ou não, é introduzida no reator detorrefação 10 pela entrada 11. O reator de torrefação 10 é essencialmentevertical. Dentro da parede periférica 50, a biomassa move-se para baixo pelaação da gravidade. Depois de tudo, a entrada 11 fica localizada na seçãosuperior 52 do reator de torrefação 10, ao passo que a saída 13 fica na suaseção inferior 51.

Uma seção superior do reator de torrefação 10 forma a câmarade secagem 54, ao passo que a seção inferior do reator de torrefação 10 definea câmara de torrefação 55. A câmara de secagem 54 fica localizada entre aentrada de biomassa Ilea câmara de torrefação 55. A câmara de torrefação55 é delimitada entre a câmara de secagem 54 e a saída de biomassa 13.

A câmara de secagem 54 tem um ou mais orifícios de entrada12a. Um gás de secagem quente escoa para a câmara de secagem 54 do reatorde torrefação 10 pelos orifícios de entrada 12a, de maneira que transferênciade calor ocorre pelo contato direto entre o gás de secagem quente e abiomassa. Entretanto, a câmara de secagem pode também ser projetada deacordo com a invenção para troca de calor indireta entre o gás de secagemquente e a biomassa. O gás de secagem e a biomassa movem-se na câmara desecagem 54 em co-corrente um com o outro. Preferivelmente, diversosorifícios de entrada 12a são providos, um acima do outro, para que o gás desecagem possa penetrar na biomassa no local do núcleo (não mostrado nafigura 5).

O gás de secagem quente eleva a temperatura da biomassa nacâmara de secagem 54 e evapora a água ligada da biomassa até que abiomassa fique praticamente isenta de umidade. Este estágio está indicado nafigura 2 por "pós-secagem e aquecimento". O gás de secagem quente éresfriado no processo. O gás de secagem frio, e possivelmente o gás e/ouvapor formado na evaporação de umidade residual, deixam a câmara desecagem 54 pelos orifícios de saída 15. O gás de secagem frio é entãointroduzido em um primeiro trocador de calor 200. O primeiro trocador decalor 200 aquece o gás de secagem, e este gás de secagem aquecido é entãonovamente introduzido na câmara de secagem 54 pelos orifícios de entrada12a. isto forma um primeiro circuito 203, no qual o gás de secagem circula.

A biomassa desce da câmara de secagem 54 para a câmara detorrefação 55 do reator de torrefação, isto é, a biomassa ultrapassa o nívelindicado pela linha tracejada C. A biomassa é então quase completamenteseca, isto é, a umidade residual foi quase completamente evaporada dabiomassa. A biomassa agora contém, por exemplo, < 3 % de umidade. Atemperatura da biomassa aumentará para cerca de 200 0C ao mesmo tempo.

Um gás de torrefação quente passa para a câmara de torrefação55 pelos orifícios de entrada 12b. O gás de torrefação é o gás quente que éintroduzido na câmara de torrefação 55 para torrifícar a biomassa. O gás detorrefação move-se dos orifícios de entrada 12b para cima através dabiomassa. O gás de torrefação e a biomassa movem-se em contra corrente umcom o outro. No segundo espaço de reação 55, isto é, abaixo do nívelindicado pela linha tracejada C, a biomassa será tonificada à medida que elamove-se para baixo.

Gases de torrefação combustíveis são formados quando abiomassa é aquecida até a temperatura de torrefação máxima Ttorr no segundoespaço de reação 55. A quantidade de gás de torrefação combustível aumenta,mantendo esta temperatura por um certo tempo. O gás de torrefaçãointroduzido e os gases de torrefação formados deixam a câmara de torrefação55 pelos orifícios de saída 14.

Os orifícios de saída 14 são conectados no tubo 16 com aajuda de uma linha de derivação, e o tubo 16 é conectado a uma unidade decombustão 20 (não mostrada na figura 5). Os orifícios de saída 14 sãoigualmente conectados a um segundo trocador de calor 201, e parte do gás detorrefação formado passa para o segundo trocador de calor 201. O trocador decalor 201 aquece o gás de torrefação, e o gás de torrefação aquecido éintroduzido na câmara de torrefação 55 pelos orifícios de entrada 12b. Nestamodalidade exemplar, o gás de torrefação formado é usado como o gás detorrefação. Este gás é recirculado em um segundo circuito 205.

O perfil de temperatura mostrado na figura 4 também aplica-seà modalidade ilustrada na figura 5. A biomassa e o gás de secagem movem-sena câmara de secagem 54 em co-corrente um com o outro. Em decorrênciadisto, a umidade residual pode ser eliminada da biomassa de forma rápida eeficiente. Na câmara de torrefação 55, a biomassa e o gás de torrefaçãosupridos movem-se em contra corrente um com o outro. Isto possibilitacontrolar a temperatura de torrefação máxima com precisão.

O aquecimento do gás de secagem e do gás de torrefação nosrespectivos trocadores de calor 200 e 201 pode ser realizado com a ajuda deum terceiro circuito 209, que compreende uma unidade de aquecimento 207.

A unidade de aquecimento 207 pode ser, por exemplo, uma caldeira de óleo,caso este em que o óleo quente é circulado no terceiro circuito 209, incluindoos trocadores de calor 200 e 201. Isto é possível pelo uso de um fluxo co-corrente na câmara de secagem 54 e um fluxo contra corrente na câmara detorrefação 55, caso este em que as temperaturas do gás de secagem e do gásde torrefação permanecem relativamente baixas.

A biomassa tonificada é removida do reator de torrefação 10pela saída 13. A biomassa tonificada é então transferida para um refrigerador40 (não mostrado na figura 5), onde a biomassa pode ser resfriada até atemperatura ambiente. Isto está indicado na figura 2 por "resfriamento".

A invenção certamente não está restrita às modalidadessupradescritas. Com base em processos conhecidos, por exemplo, versados natécnica podem introduzir várias modificações de acordo com o escopo dainvenção. Por exemplo, a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55podem ser feitas como entidades separadas, conectadas uma na outra por umtubo. A câmara de secagem 54 é então alojada em um secador de umidaderesidual separado, ao passo que a câmara de torrefação 55 é incorporada noreator de torrefação 10. Neste caso, o secador de umidade residual no sistemailustrado na figura 1 é inserido entre o secador preliminar 3 e o reator detorrefação 10. Existe então também uma separação física entre a câmara desecagem 54 e a câmara de torrefação 55, diferente da modalidade mostrada nafigura 3.

Claims

1. Processo para tratar um material, tal como uma biomassa ouresíduo, compreendendo:- a provisão de um material que contém uma quantidade deumidade residual;- a provisão de um reator de torrefação (10);- o aquecimento do material no reator de torrefação (10) a umatemperatura de torrefação em uma atmosfera de baixo oxigênio no reator detorrefação (10), em que o material é convertido a um material torrificado,caracterizado pelo fato de que o reator de torrefação (10)compreende uma câmara de secagem (54) e uma câmara de torrefação (55),em que o material com a umidade residual contida nele é essencialmente secopor completo na câmara de secagem (54) pela evaporação da umidaderesidual, e a torrefação do material seco é essencialmente realizada na câmarade torrefação (55), e o material é transferido através do reator de torrefação(10) em uma direção de transporte (B), e a secagem do material na câmara desecagem (54) é realizada introduzindo nele um gás de secagem quente queescoa através da câmara de secagem (54) em co-corrente com o material, e atorrefação do material na câmara de torrefação (55) do reator de torrefação érealizada introduzindo nele um gás de torrefação quente que escoa através dacâmara de torrefação (55) do reator de torrefação (10) em contra corrente como material.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o material contém partículas sólidas que movem através doreator de torrefação (10) na forma de um leito móvel compactado.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que o gás de secagem depois de ter movido em co-corrente com o material e ter sido então resfriado, deixa a câmara de secageme é introduzido em um primeiro trocador de calor, que aquece este gás desecagem, depois do que o gás de secagem aquecido pelo primeiro trocador decalor é introduzido na câmara de secagem (54), e o gás de torrefação, depoisde ter movido em contra corrente com o material e ter sido então resfriado,deixa a câmara de torrefação e é introduzido em um segundo trocador decalor, que aquece este gás de torrefação, depois do que o gás de torrefaçãoque foi aquecido pelo segundo trocador de calor é introduzido na câmara detorrefação (54).

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesanteriores, caracterizado pelo fato de que a provisão do material compreendeintroduzir uma matéria-prima relativamente úmida em um secador (3), eaquecer o material no secador (3) para evaporar umidade do material até que aquantidade de umidade residual permaneça nele, o material que foi seco nosecador (3) sendo introduzido na câmara de secagem (54).

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesanteriores, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás quenteintroduzido na câmara de torrefação (55) é na faixa de 200-400 °C, porexemplo, cerca de 300 °C.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesanteriores, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás quenteintroduzido na câmara de secagem (54) é na faixa de 150-600 °C, porexemplo, cerca de 350 °C.

7. Dispositivo para tratar um material, tal como uma biomassaou produto residual, cujo dispositivo compreende um reator de torrefação (10)que pode ser alimentado com material que contém uma quantidade deumidade residual, cujo reator de torrefação (10) é provido com uma entrada(11) para introduzir este material no reator de torrefação (10), meio deaquecimento (12) para aquecer o material no reator de torrefação (10) a umatemperatura de torrefação, meio de tratamento com ar para criar umaatmosfera de baixo oxigênio no reator de torrefação, onde o material pode serconvertido em material tonificado durante operação, e uma saída (13) pararemover material tonificado,caracterizado pelo fato de que o reator de torrefação (10)compreende uma câmara de secagem (54) e uma câmara de torrefação (55),cuja câmara de secagem (54) é adaptada para a secagem essencialmentecompleta do material pela evaporação da umidade residual e cuja câmara detorrefação (55) é adaptada para tonificar o material, e em que a câmara detorrefação (55) fica localizada à jusante da câmara de secagem (54) quandovista na direção de fluxo do material, e em que a câmara de secagem (54) tempelo menos um orifício de entrada (12a) para gás de secagem e pelo menosum orifício de saída (15) para o dito gás de secagem e possivelmente gás e/ouvapor formado durante a evaporação da umidade residual, cujo orifício deentrada (12a) para gás de secagem fica localizado na extremidade da câmarade secagem (54) que fica voltada para a entrada (11), e o orifício de saída (15)fica localizado na extremidade oposta da câmara de secagem (54), e em que acâmara de torrefação (55) tem pelo menos um orifício de entrada (12b) paragás de torrefação e pelo menos um orifício de saída (14) para o dito gás detorrefação, e gás de torrefação formado no processo de torrefação, cujoorifício de entrada (12b) para gás de torrefação fica localizado na extremidadeda câmara de torrefação (55) que fica voltada para a saída (13), e o orifício desaída (14) fica localizado na extremidade oposta da câmara de tonefação (55).

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopelo fato de que compreende dois trocadores de calor, em que o primeirotrocador de calor é provido para aquecer o gás de secagem e é conectado noorifício de entrada e no orifício de saída da câmara de secagem a fim deformar um circuito de gás de secagem, e o segundo trocador de calor éprovido para aquecer o gás de torrefação e é conectado no orifício de entradae no orifício de saída da câmara de torrefação para formar um circuito de gásde torrefação.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7 ou 8,caracterizado pelo fato de que é provido um secador (3) que pode seralimentado com um material relativamente úmido, que é equipado com ummeio de aquecimento (6) para aquecer este material a fim de evaporarumidade do material até que a quantidade de umidade residual permaneçanele, e em que o secador (3) é conectado na câmara de secagem (54) paraintroduzir o material seco no secador (3) na câmara de secagem (54).

10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7-9, caracterizado pelo fato de que, quando visto na direção defluxo do material, a câmara de secagem (54) fica localizada entre a entrada(11) para material e a câmara de torrefação (55), e a câmara de torrefação (55)fica localizada entre a câmara de secagem (54) e a saída (13) para materialtonificado.

11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o reator de torrefação(10) é ligado por uma parede periférica (50), e a câmara de secagem (54) e acâmara de torrefação (55) estendem-se como uma continuação uma da outradentro da parede periférica (50).

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que o reator de torrefação (10) é montado na posição vertical, e emque diversos orifícios de entrada (12a) são providos na parede periférica (50),um acima do outro, para a introdução de gás de secagem.

13. Dispositivo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 7-12, caracterizado pelo fato de que a saída (13) é conectada auma câmara de resfriamento (40), e em que o material torrificado pode serintroduzido pela câmara de torrefação (55) na câmara de resfriamento (40).

14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de que a câmara de resfriamento (40) é provida comorifícios de entrada (41) para a introdução de gás de resfriamento.