BRPI0706225B1

BRPI0706225B1 - processo e dispositivo para tratar um material tal como biomassa ou resíduo

Info

Publication number: BRPI0706225B1
Application number: BRPI0706225A
Authority: BR
Inventors: Peter Christiaan Albert Bergman
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2016-12-13
Also published as: EP1969099B1; AU2007203837B2; EP1969099B2; MY162050A; ES2380961T3; JP5118060B2; US20090084029A1; EA200870159A1; PL1969099T5; CN101379167B; RS52254B; ATE544835T2; DK1969099T4; CR10131A; SI1969099T1; UA91888C2; AU2007203837A1; AP2469A; BRPI0706225A2; EA012806B1

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 TAL COMO BIOMASSA OU RESÍDUO” [01] 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 de umidade residual; - a provisão de um reator de torrefação; - o aquecimento do material no reator de torrefação a uma temperatura de torrefação em uma atmosfera de baixo oxigênio no reator de torrefação, em que o material é convertido a um material torrificado.

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

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

[04] Além disso, biomassa pode ser bastante úmida, em decorrência do ato de lavá-la ou submetê-la a um tratamento com água alternativo a fim de reduzir o teor de sal da biomassa. A remoção de sais é desejável, em virtude de sais na biomassa usados como um combustível levarem mais rapidamente à formação de corrosão na câmara de combustão de uma estação de força. Esses sais também reduzem a qualidade da cinza produzida durante a combustão do combustível de biomassa, que prejudica a utilização desta cinza. Sais solúveis em água podem em particular ser lavados da biomassa de origem planta, tal como palha.

[05] A matéria-prima normalmente tem um teor de umidade de 5-15 %, isto é, uma quantidade de umidade residual é contida no material. Este material com a umidade residual é introduzido no reator de torrefação. Torrefação é um método de tratamento termoquímico para material. Neste método, 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. A falta de oxigênio impede que o material se queime. Em vez disso, o material é tonificado, 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 de energia é somente reduzido em 10 %. O combustível produzido pela torrefação, portanto, tem um alto valor calorífico.

[06] A torrefação também causa mudanças químicas na estrutura do material. O material perde sua resistência mecânica e elasticidade, de forma que fica muito mais fácil moê-lo. Além disso, material tonificado é hidrofóbico e, portanto, permanece seco e é insensível a umidade atmosférica. O risco de putrefação e superaquecimento é muito pequeno, quando o material que foi produzido por torrefação é armazenado.

[07] A temperatura do material é elevada no reator de torrefação. Entretanto, antes de a torrefação do material poder ocorrer, a umidade residual tem que ser primeiramente evaporada do material. O material é virtualmente seco por completo no reator de torrefação pela evaporação da umidade residual. A real torrefação do material somente ocorre depois que a umidade residual tiver sido evaporada. A torrefação começa tão logo a temperatura do material exceda cerca de 200 °C. Entretanto, a temperatura de torrefação, em geral, é maior, sendo cerca de 250 °C.

[08] Uma quantidade considerável de vapor é gerada no reator de torrefação quando a umidade residual é evaporada no reator de torrefação, Isto pode levar a uma corrente de gás com movimento relativamente rápido escoando no reator, que aumenta a queda de pressão sobre o reator, Além disso, a energia necessária para evaporar a umidade residual é muito maior que a energia necessária para a torrefação. Em particular, em um reator de torrefação baseado em contato direto entre o gás e o material, uma quantidade relativamente grande de gás quente tem que ser introduzida no reator de torrefação a uma alta temperatura de entrada, que aumenta ainda mais a quantidade de gás que tem que passar através do reator de torrefação. Isto prejudica a implementação do método de tratamento.

[09j Um objetivo da invenção é prover um processo melhorado para tratar material.

[010] Este objetivo é alcançado de acordo com a invenção pelo material com a umidade residual contida nele sendo essencialmenie seco por completo na câmara de secagem pela evaporação da umidade residual, c a torrefação do material seco sendo essencialmente realizada na câmara de torrefação do reator de torrefação, e o material sendo transferido através do reator de torrefação em uma direção de transporte, e a secagem do material na câmara de secagem sendo realizada introduzindo nele um gãs de secagem quente que escoa através da câmara de secagem em co-corrente com o material, e a torrefação do material na câmara de torrefação do reator de torrefação sendo realizada introduzindo nele um gás de torrefação quente que escoa através da câmara de torrefação do reator de torrefação em contra corrente com o material, [011J De acordo com a invenção, o material é seco na câmara dc secagem, depois do que o material é torrificado na câmara de torrefação. A câmara de secagem e a câmara de torrefação formam dois espaços separados aqui. Diferente de processos conhecidos, a evaporação de umidade residual do material e a torrefação do material de acordo com a invenção formam dois estágios separados, cada um dos quais pode ser otimizado.

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

[013] Quando um gás quente é introduzido, que está, por exemplo, em contato direto com o material, a temperatura do material no reator de torrefação aumenta até uma temperatura de torrefação. Uma vez que este gás quente escoa em contracorrente com o material, a temperatura do gás quente "segue" a temperatura do material. A temperatura do material e a temperatura do gás quente ambas aumentam na direção de transporte do material. A temperatura de entrada do gás quente então precisa estar somente um pouco acima da temperatura do material na saída. Existe apenas um pequeno risco de "pontos quentes" se desenvolverem no material seco, ou de ocorrer torrefação descontrolada ou pirólise. Apenas uma quantidade relativamente pequena de energia precisa ser introduzida na câmara de torrefação, que permite uma melhor dosagem e/ou ajuste fino da entrada de energia. Em decorrência disto, a temperatura de torrefação na câmara de torrefação pode ser ajustada e controlada com precisão.

[014] Uma vantagem adicional da invenção é que as temperaturas exigidas dos gases quentes introduzidos - gás de secagem e gás de torrefação - são relativamente baixas. Isto facilita a produção desses gases quentes. Por exemplo, a temperatura do gás quente introduzido na câmara de torrefação é na faixa de 200-400 °C, sendo, por exemplo, cerca de 300 °C. A torrefação controlada pode ser realizada na câmara de torrefação a uma temperatura como essa. Além do mais, a temperatura do gás quente introduzido na câmara de secagem pode ser na faixa de 150-600 °C, sendo, por exemplo, cerca de 350 °C. Esta temperatura é particularmente adequada para a secagem praticamente completa do material, tal como a um teor de umidade < 3 %. Essas temperaturas são suficientemente baixas para a produção usando, por exemplo, óleo térmico.

[015] O reator de torrefação pode compreender a câmara de secagem e a câmara de torrefação. Quando a câmara de secagem e a câmara de torrefação são acomodadas no reator de torrefação, a câmara de secagem e a câmara de torrefação formam dois espaços de reação do reator de torrefação. A secagem do material pela evaporação da umidade residual é essencialmente realizada no primeiro espaço de reação, isto é, na câmara de secagem, e a torrefação do material é essencialmente realizada no segundo espaço de reação, isto é, na câmara de torrefação. O material é de fato quase completamente seco aqui pela evaporação da umidade residual no reator de torrefação, mas o processo no reator de torrefação é separado de acordo com a invenção em dois estágios, cada um dos quais pode ser otimizado.

[016] Entretanto, é também possível de acordo com a invenção alojar a câmara de secagem em um secador de umidade residual, e alojar a câmara de torrefação no reator de torrefação. Neste caso, o secador de umidade residual forma um dispositivo separado, que é alojado separadamente do reator de torrefação. O secador de umidade residual pode ser projetado de forma a garantir a evaporação eficiente da umidade residual do material. O secador de umidade residual é conectado no reator de torrefação para a transferência do material quase completamente seco do secador de umidade residual para a câmara de torrefação.

[017] 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 sido assim resfriado, deixe a câmara de secagem, e seja introduzido no primeiro trocador de calor, que aquece este gás de secagem, depois do que o gás de secagem aquecido pelo primeiro trocador de calor é introduzido na câmara de secagem, e o gás de torrefação depois de ele ter movimentado em contra corrente com o material e tiver sido assim resfriado, deixar a câmara de torrefação e ser introduzido em um segundo trocador de calor, que aquece este gás de torrefação, depois do que o gás de torrefação que foi aquecido pelo segundo trocador de calor é introduzido na câmara de torrefação. Neste caso, o gás de secagem circula em um primeiro circuito, enquanto o gás de torrefação circula em um segundo circuito. Com uso de dois circuitos, cada qual com seu próprio trocador de calor, é possível garantir uma recuperação de energia eficiente do gás de secagem e do gás de torrefação.

[018] Em particular, a provisão do material pelo processo de acordo com a invenção compreende introduzir uma matéria-prima relativamente úmida em um secador, e aquecer o material no secador para evaporar umidade do material até que a quantidade de umidade residual permaneça nele, o material que foi seco no secador sendo introduzido na câmara de secagem. A matéria-prima relativamente úmida tem um teor de umidade, por exemplo, de mais de 15 %. O material relativamente úmido pode então ser termicamente seco em um secador, tal como um secador de tambor rotativo, antes de ser introduzido na câmara de secagem do reator de torrefação ou no secador de umidade residual. À medida que o material é aquecido no secador, a temperatura aumenta suficientemente para evaporar umidade do material. O material não é completamente seco no secador, isto é, uma quantidade de umidade residual é deixada no material. A umidade residual é basicamente formada por água ligada no material. Na prática, energia é introduzida no secador até que o teor de umidade do material seja cerca de 10-15 %. A biomassa é então 85-90 % seca. A redução do teor de umidade no secador adicionalmente reduziría o rendimento de todo o método de tratamento. Por exemplo, o secador não é adequado para secar o material ainda mais de uma maneira economicamente eficiente.

[019] Incidentalmente, material com um teor de umidade superior a 15 % pode certamente também ser alimentado no reator de torrefação sem secagem ou pré-secagem preliminar em um secador separado. Por exemplo, palha pode ser alimentada diretamente no reator de torrefação de acordo com a invenção sem secagem preliminar. A secagem dessa palha então ocorre completamente na câmara de secagem do reator de torrefação de acordo com a invenção. Ao contrário, algumas vezes pode ser desejável primeiro pré-secar o material do secador que contém somente uma quantidade relativamente pequena de umidade, tal como 5 % ou menos.

[020] O material de acordo com a invenção deve preferivelmente conter partículas sólidas que passam através do reator de torrefação na forma de um leito móvel compactado. Neste caso, o reator de torrefação é operado com base no princípio da tecnologia de leito móvel.

[021] A invenção também diz respeito a um dispositivo para tratar material, compreendendo um reator de torrefação, no qual material pode ser alimentado, o qual contém uma quantidade de umidade residual, cujo reator de torrefação é provido com uma entrada para a introdução deste material no reator de torrefação, meio de aquecimento para aquecer o material no reator de torrefação até uma temperatura de torrefação, meio de tratamento de ar para criar um ambiente de baixo oxigênio (com quantidades subestequiométricas de oxigênio) no reator de torrefação, em que o material pode ser convertido em material tonificado durante a operação, e uma saída para remover o material tonificado.

[022] De acordo com a invenção, o reator de torrefação compreende uma câmara de secagem e uma câmara de torrefação, cuja câmara de secagem é adaptada para a secagem essencialmente completa do material pela evaporação da umidade residual e cuja câmara de torrefação é adaptada para torrificar o material, e em que a câmara de torrefação fica localizada à jusante da câmara de secagem quando vista na direção de fluxo do material, e em que a câmara de secagem tem pelo menos um orifício de entrada para gás de secagem e pelo menos um orifício de saída para o dito gás de secagem e qualquer gás e/ou vapor formado durante a evaporação de umidade residual, cujo orifício de entrada para gás de secagem fica localizado na extremidade da câmara de secagem que fica voltada para a entrada, e o orifício de saída fica localizado na extremidade oposta da câmara de secagem, e em que a câmara de torrefação tem pelo menos um orifício de entrada para gás de torrefação e pelo menos um orifício de saída para o dito gás de torrefação e gás de torrefação formado no processo de torrefação, cujo orifício de entrada para gás de torrefação fica localizado na extremidade da câmara de torrefação que fica voltada para a saída, e o orifício de saída fica localizado na extremidade oposta da câmara de torrefação.

[023] O gás de secagem e o gás de torrefação são ambos gases quentes. O gás de secagem quente é para evaporação de umidade residual na câmara de secagem, ao passo que o gás de torrefação quente é para o aquecimento do material quase completamente seco na câmara de torrefação até a temperatura de torrefação exigida. Gases de torrefação combustíveis são formados durante o processo de torrefação na câmara de torrefação e podem ser removidos através do orifício de saída.

[024] Durante a operação, o material é transferido através do reator de torrefação em uma direção de transporte. O material é seco na câmara de secagem pela introdução de um gás de secagem quente nele através de um ou mais orifícios de entrada em co-corrente com o material. A torrefação do material na câmara de torrefação do reator de torrefação é realizada introduzindo nele um gás de torrefação quente através de um ou mais orifícios de entrada na câmara de torrefação. O gás de torrefação quente escoa através da câmara de torrefação do reator de torrefação em contracorrente com o material. O gás de secagem e o gás de torrefação escoam um em direção ao outro pelas extremidades opostas do reator de torrefação. Esses gases se encontram nos orifícios de saída localizados enfie a entrada dos orifícios de entrada de gás de secagem e os orifícios de enfiada de gás de torrefação. Isto garante uma separação de gás entre a câmara de secagem e a câmara de torrefação. A câmara de secagem e a câmara de torrefação ficam localizadas em extremidades opostas da separação de gás - a separação de gás delimita a câmara de secagem e a câmara de torrefação uma em relação à outra. Diferente da tecnologia anterior, em que o material pode ser quase completamente seco pela evaporação da umidade residual no reator de torrefação, o processo no dispositivo de acordo com a invenção pode ser dividido em dois estágios que podem ser ajustados de uma maneira ideal.

[025] Quando a câmara de secagem e a câmara de torrefação ficam alojadas no reator de torrefação, a câmara de secagem e a câmara de torrefação formam dois espaços separados no mesmo reator de torrefação. Em uma modalidade alternativa, a câmara de torrefação fica localizada, por exemplo, em uma camada de umidade residual, e a câmara de torrefação fica localizada no reator de torrefação. Neste caso, o secador de umidade residual forma uma entidade separada que é alojada separadamente em relação ao reator de torrefação.

[026] É possível, de acordo com a invenção, prover um secador no qual um material relativamente úmido pode ser suprido, cujo secador tem meio de aquecimento para aquecer este material a fim de evaporar umidade do material até que a quantidade de umidade residual permaneça nele, e o material seco no secador podendo ser alimentado na câmara de secagem do reator de torrefação. Isto toma o dispositivo de acordo com a invenção adequado para manuseio de material relativamente úmido, por exemplo, material com um teor de umidade de cerca de 15 %, 25 % ou mais. O material relativamente úmido pode ser termicamente pré-seco no secador antes de ele ser alimentado na câmara de torrefação.

[027] O dispositivo de acordo com a invenção pode, portanto, compreender dois secadores e uma câmara de torrefação. O primeiro secador forma um secador preliminar que é usado para reduzir o teor de umidade, por exemplo, para cerca de 5-15 %. O segundo secador é formado pela câmara de secagem no reator de torrefação ou pelo secador de umidade residual supradescrito.

[028] Em uma modalidade da invenção, o reator de torrefação é limitado por uma parede periférica, a câmara de secagem e a câmara de torrefação estendendo-se como uma continuação uma da outra dentro da parede periférica. Quando vista na direção de fluxo do material, a câmara de secagem fica localizada entre a entrada para o material e a câmara de torrefação, e a câmara de torrefação fica localizada entre a câmara de secagem e a saída do material tonificado.

[029] Em uma modalidade da invenção, o reator de torrefação é montado na posição vertical, inúmeros orifícios de entrada sendo providos dentro da parede periférica, uma acima do outro, para gás de secagem. Este reator de torrefação pode ser, por exemplo, vertical, ou ele pode ser montado em um ângulo. Uma vez que esses orifícios são distribuídos em tomo da periférica da parede periferia, o gás pode penetrar no material que fica localizado centralmente dentro da parede periférica. O material tem oportunidade suficiente para secar por toda sua seção transversal dentro da parede periférica.

[030] O material pode mover-se de cima para baixo dentro da parede periférica pela ação da gravidade. Entretanto, é também possível que o material escoe através do reator de torrefação de baixo para cima. Com este propósito, um dispositivo de alimentação é provido, por exemplo, tal como um elemento de parafuso ou um pistão, que pode mover-se para cima e para baixo dentro da parede periférica. O dispositivo de alimentação pode ficar localizado fora da parede periférica quente do reator de torrefação. A carga térmica do dispositivo de alimentação é assim reduzida.

[031] Em uma modalidade da invenção, a saída é conectada a uma câmara de resfriamento e o material tonificado pode ser introduzido pela câmara de torrefação na câmara de resfriamento. Por exemplo, o dispositivo de alimentação empurra o material dentro da parede periférica do reator de torrefação para cima até que o material atinja uma parte de transbordamento. O material torrificado superequilibra ao longo da borda da parte de transbordamento e cai além dela na câmara de resfriamento. A câmara de resfriamento é no geral provida com orifícios de entrada para gás de resfriamento. O gás de resfriamento resfria o material torrificado.

[032] A invenção será agora explicada mais detalhadamente com referência a uma modalidade exemplar ilustrada nas figuras.

[033] A figura 1 mostra um fluxograma de processo esquemático para o processo de tratar biomassa de acordo com a invenção.

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

[035] A figura 3 mostra uma vista em seção transversal de um reator de torrefação de acordo com a invenção.

[036] A figura 4 mostra um gráfico no qual a temperatura do gás de secagem, do gás de torrefação e da biomassa é colocada em gráfico em função da distância vertical no reator de torrefação.

[037] A figura 5 mostra um diagrama de processo esquemático no caso de uma segunda modalidade de um processo para tratar biomassa de acordo com a invenção.

[038] O projeto do processo e dispositivo de acordo com a invenção será 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 os tipos de materiais. Por exemplo, vários materiais de baixa mobilidade, tal como resíduo não biodegradável, podem ser tratados de acordo com a invenção.

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

[040] O gás quente introduzido sobe a temperatura da biomassa no secador 3, mas não reduz o teor de umidade na biomassa inicialmente. Este estágio é denominado "pré-aquecimento" na figura 2. À medida que a temperatura sobe, a umidade começa a evaporar da biomassa. Quando a temperatura da biomassa atinge a temperatura de vaporação, a água livre e fracamente ligada evapora da biomassa, enquanto a temperatura permanece virtualmente 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 umidade residual permaneça nela. A biomassa pré-seca então deixa o secador 3 por uma saída 7. A maior parte da energia dos gases quentes introduzidos é usada para a secagem da biomassa, de maneira que sua própria temperatura caia para 70-80 °C. Os gases frios são removidos do secador 3 através de uma saída 8.

[041] O dispositivo 1 para tratar biomassa também compreende um reator de torrefação 10. O reator de torrefação de acordo com a invenção tem uma entrada 11 que é conectada na saída 7 do secador 3. A biomassa pré-seca pode, portanto, ser introduzida no reator de torrefação 10 pela entrada 11.0 reator 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 torrefação 10, de forma que a transferência de calor ocorra pelo contato direto entre o gás quente e a biomassa. Entretanto, de acordo com a invenção, o reator de torrefação pode também ser construído para uma troca de calor indireta entre o gás quente e a biomassa.

[042] A figura 2 mostra que a temperatura da biomassa tem primeiramente que aumentar antes que a torrefação possa ocorrer. Depois de tudo, a temperatura mínima necessária para a torrefação é cerca de 200 °C. À medida que a temperatura aumenta, a água ligada evapora da biomassa até que a biomassa fique virtualmente sem umidade. Este estágio é denominado "pós-secagem e aquecimento" na figura 2. Esta pós-secagem e aquecimento são realizadas de acordo com a invenção em uma câmara de secagem do reator de torrefação, que será explicado com mais detalhes posteriormente com ajuda da figura 3.

[043] A biomassa então será tonificada (ver "torrefação" na figura 2) em uma câmara de torrefação do reator de torrefação. Durante o processo de torrefação, a temperatura aumenta de cerca de 200 °C até que uma temperatura de torrefação máxima Tt0rr seja tingida no ponto A na figura 2. A temperatura Tt0rr pode ser regulada e afeta as propriedades do combustível de biomassa. A qualidade do produto da biomassa torrificada é atingida no ponto A, mas, em geral, ainda não são formados gases de torrefação combustíveis suficientes. A temperatura de torrefação máxima Tt0rr é mantida além deste ponto A, de forma que a quantidade de gases de torrefação combustíveis aumenta no reator de torrefação 10. A qualidade da biomassa torrificada é também melhorada ainda mais aqui. Os gases de torrefação combustíveis deixam o reator de torrefação 10 através de pelo menos um orifício de saída 14.

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

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

[046] O trocador de calor pode ser tanto do tipo direto quanto indireto. No caso de trocador de calor direto, o gás de torrefação e o gás combustível ficam em contato direto um com o outro. Em um trocador de calor indireto, o gás combustível quente a uma temperatura de 1.000 - 1.600 °C é usado para aquecer, por exemplo, um óleo a 250-400 °C, e o óleo quente então aquece o gás de torrefação. Depois disso, este gás de torrefação aquecido escoa para a câmara de torrefação pelo orifício de entrada 12.

[047] A biomassa tonificada é removida do reator de torrefação 10 por uma saída 13. A biomassa tonificada é então transferida para um refrigerador 40, onde a biomassa por resfriar até a temperatura ambiente. Isto está indicado por "resfriamento" na figura 2.

[048] Embora a figura 1 mostre o reator de torrefação 10 esquematicamente na forma de um único diagrama de blocos, o reator de torrefação 10 de acordo com a invenção compreende pelo menos dois espaços do reator. O primeiro espaço do reator provê a câmara de secagem, ao passo que o segundo espaço do reator forma a câmara de torrefação. O reator de torrefação 10 de acordo com a invenção está mostrado na figura 3 com mais detalhes.

[049] O reator de torrefação 10 fica essencialmente na posição vertical quando ele está em operação. O reator de torrefação 10 compreende uma parede periférica 50, uma seção inferior 51 e uma seção superior 52. A entrada 11 para introdução de biomassa no reator de torrefação 10 fica localizada em um lado da seção inferior 51. A seção inferior 51 compreende um dispositivo de alimentação 53 para transferir a biomassa para cima dentro da parede periférica 50. O dispositivo de alimentação 53 está mostrado esquematicamente na figura 3. A parede periférica 50 no reator de torrefação é cheia com biomassa durante operação.

[050] O dispositivo de alimentação 53 pode ter vários desenhos. Por exemplo, o dispositivo de alimentação compreende dois pistões e uma válvula de suporte. O primeiro pistão pode mover-se através da entrada 11 para empurrar a biomassa para o segundo pistão, que pode mover-se para cima e para baixo dentro da parede periférica. A válvula de suporte pode mover-se entre uma posição de suporte e uma posição livre. Quando pistão tiver atingido o final de seu curso, a válvula de suporte move-se sobre a posição de suporte para suportar a biomassa dentro da parede periférica. O segundo pistão pode então mover-se para baixo, depois do que o primeiro pistão pode novamente carregar uma quantidade de biomassa nele. Entretanto, o dispositivo de alimentação pode também ser projetado como um transferidor sem-fim. O projeto do dispositivo de alimentação 53 depende da orientação da reação de torrefação, que pode ser essencialmente vertical, horizontal ou inclinada em um ângulo entre as duas.

[051] Dentro da parede periférica 50, o reator de torrefação 10 é dividido em um primeiro espaço de reação ou câmara de secagem 54 para a evaporação de umidade residual da biomassa, e um segundo espaço de reação ou câmara de torrefação 55 para torrefação da biomassa. Nesta modalidade exemplar, não existe separação física entre a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55, e os espaços de reação 54 e 55 são contínuos. A transição entre os espaços de reação 54 e 55 está indicada pela linha tracejada C. Nesta modalidade exemplar, a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55, portanto, não são câmaras encerradas, mas formam um espaço de secagem 54 e espaço de torrefação 55 contínuos.

[052] A câmara de secagem 54 fica, portanto, localizada entre a entrada de biomassa 11 e a câmara de torrefação 55. A câmara de secagem 54 tem inúmeros orifícios de entrada 12a para a introdução de um gás de secagem 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 de secagem e a biomassa movem-se em co-corrente um com o outro na câmara de secagem 54.

[053] Uma vez que inúmeros orifícios de entrada 12a são colocados uns sobre os outros, o gás de secagem pode penetrar na biomassa no local do núcleo dentro da parede periférica. O gás de secagem que é introduzido pelo orifício de entrada superior 12a forma uma corrente de gás quente ao longo do lado de dentro da parede periférica 50. Por causa deste fluxo, o gás de secagem que foi introduzido pelo orifício de entrada 12a abaixo do primeiro é forçado a mover-se para fora da parede periférica 50 e é direcionado radialmente para dentro. Isto está indicado esquematicamente pelas setas D. Isto garante que não somente a biomassa pela parede periférica, mas também a biomassa no meio, pode ser completamente seca.

[054] Vapor é gerado durante a secagem da biomassa na câmara de secagem 54. Parte deste vapor e do gás de secagem resfriado pela evaporação deixa o reator de torrefação 10 pelos orifícios de saída 15, localizados dentro da parede periférica 50. O vapor produzido preferivelmente passa amplamente para a câmara de torrefação 55 do reator de torrefação 10, em virtude de o vapor em geral conter uma quantidade considerável de compostos orgânicos.

[055] Quando a biomassa ultrapassa o nível indicado pela linha tracejada C, a biomassa está quase totalmente seca, isto é, a umidade residual foi quase completamente evaporada da biomassa. O teor de umidade da biomassa é então preferivelmente < 3 %. A temperatura da biomassa subiu para cerca de 200 °C ao mesmo tempo. Portanto, o que acontece acima do nível mostrado pela linha tracejada C é torrefação. A biomassa fica então localizada na câmara de torrefação 55 para torrefação da biomassa.

[056] A câmara de torrefação 55 tem orifícios de entrada 12b para gás de torrefação, que ficam localizados na seção superior 52 do reator de torrefação 10. O gás de torrefação é o gás quente introduzido na câmara de torrefação para tonificar a biomassa. O gás de torrefação é derivado do trocador de calor 30 (ver figura 1), exatamente como o gás de secagem. O gás de torrefação escoa dos orifícios de entrada 12b para baixo através da biomassa. O gás de torrefação move-se em contracorrente com a biomassa. No segundo espaço de reação 55, a biomassa é tonificada à medida que ela se move para cima. À medida que a biomassa é aquecida até a temperatura de torrefação máxima Tt0rr, gases de torrefação combustíveis são formados no segundo espaço de reação 55. A quantidade de gás de torrefação combustível aumenta, mantendo-se esta temperatura por um certo tempo. O gás de torrefação introduzido e os gases de torrefação formados deixam o segundo espaço de reação 55 pelos orifícios de saída 14.

[057] A mistura de gás que deixa o reator de torrefação 10 pelos orifícios de saída 14 portanto conterá relativamente pouco vapor de acordo com a invenção. O fluxo no tubo 16 na linha de derivação 17 (ver figura 1) é, portanto, relativamente limitado, o que reduz a potência exigida do ventilador 18. Além disso, o gás de torrefação combustível descarregado dificilmente será diluído com vapor proveniente da câmara de secagem 54, caso seja. Isto tem um efeito favorável nas propriedades de queima na unidade de combustão 20 (válvula de exaustão rápida figura 1).

[0581 O reator de torrefação 10 tem uma parte de transbordamento V 58. A medida que a biomassa tonificada é empurrada sobre a borda da parte de transbordamento 58, ela superequilibra ao longo da parte de transbordamento 58 e cai na unidade de resfriamento 40. A unidade de resfriamento tem um orifício de entrada 41 para a introdução de gás de resfriamento. A temperatura da biomassa torrificada diminui até a temperatura ambiente na câmara de resfriamento 40. A biomassa resfriada deixa a unidade de resfriamento 40 pela saída 42.

[059] A figura 4 mostra a temperatura da biomassa, do gás de secagem e do gás de torrefação em função da altura z dentro do reator de torrefação (ver figura 3). A temperatura da biomassa está mostrada pela linha inferior E, ao passo que a temperatura do gás de secagem e a temperatura do gás de torrefação estão mostradas pelas linhas F e G, respectivamente. A separação entre a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55 está novamente mostrada por uma linha tracejada C.

[060] A figura 4 refere-se ao processo de acordo com a invenção descrito no caso da figura 3. A biomassa e o gás de secagem movem-se na câmara de secagem 54 em co-corrente uma com a outra. Em decorrência disto, a umidade residual pode ser eliminada da biomassa de forma rápida e eficiente. Na câmara de torrefação 55, a biomassa e o gás de torrefação introduzido movem-se em contracorrente um com o outro. Isto possibilita controlar a temperatura de torrefação máxima com precisão.

[061] A figura 5 mostra uma segunda modalidade de um dispositivo para tratar biomassa, onde números de referência iguais denotam partes iguais. A operação e construção correspondem essencialmente ao processo e dispositivo para tratar biomassa supradescritos, e esta modalidade também tem as vantagens supramencionadas. A modalidade ilustrada na figura 5 será descrita a seguir com mais detalhes.

[062] O secador usado para pré-secar a biomassa não está mostrado na figura 5. A biomassa, quer pré-seca ou não, é introduzida no reator de torrefação 10 pela entrada 11. O reator de torrefação 10 é essencialmente vertical. Dentro da parede periférica 50, a biomassa move-se para baixo pela ação da gravidade. Depois de tudo, a entrada 11 fica localizada na seção superior 52 do reator de torrefação 10, ao passo que a saída 13 fica na sua seção inferior 51.

[063] Uma seção superior do reator de torrefação 10 forma a câmara de secagem 54, ao passo que a seção inferior do reator de torrefação 10 define a câmara de torrefação 55. A câmara de secagem 54 fica localizada entre a entrada de biomassa 11 e a câmara de torrefação 55. A câmara de torrefação 55 é delimitada entre a câmara de secagem 54 e a saída de biomassa 13.

[064] A câmara de secagem 54 tem um ou mais orifícios de entrada 12a. Um gás de secagem quente escoa para a câmara de secagem 54 do reator de torrefação 10 pelos orifícios de entrada 12a, de maneira que transferência de calor ocorre pelo contato direto entre o gás de secagem quente e a biomassa. Entretanto, a câmara de secagem pode também ser projetada de acordo com a invenção para troca de calor indireta entre o gás de secagem quente e a biomassa. O gás de secagem e a biomassa movem-se na câmara de secagem 54 em co-corrente um com o outro. Preferivelmente, diversos orifícios de entrada 12a são providos, um acima do outro, para que o gás de secagem possa penetrar na biomassa no local do núcleo (não mostrado na figura 5).

[065] O gás de secagem quente eleva a temperatura da biomassa na câmara de secagem 54 e evapora a água ligada da biomassa até que a biomassa fique praticamente isenta de umidade. Este estágio está indicado na figura 2 por "pós-secagem e aquecimento". O gás de secagem quente é resfriado no processo. O gás de secagem frio, e possivelmente o gás e/ou vapor formado na evaporação de umidade residual, deixam a câmara de secagem 54 pelos orifícios de saída 15. O gás de secagem frio é então introduzido em um primeiro trocador de calor 200. O primeiro trocador de calor 200 aquece o gás de secagem, e este gás de secagem aquecido é então novamente introduzido na câmara de secagem 54 pelos orifícios de entrada 12a. isto forma um primeiro circuito 203, no qual o gás de secagem circula.

[066] A biomassa desce da câmara de secagem 54 para a câmara de torrefação 55 do reator de torrefação, isto é, a biomassa ultrapassa o nível indicado pela linha tracejada C. A biomassa é então quase completamente seca, isto é, a umidade residual foi quase completamente evaporada da biomassa. A biomassa agora contém, por exemplo, < 3 % de umidade. A temperatura da biomassa aumentará para cerca de 200 °C ao mesmo tempo.

[067] Um gás de torrefação quente passa para a câmara de torrefação 55 pelos orifícios de entrada 12b. O gás de torrefação é o gás quente que é introduzido na câmara de torrefação 55 para torrificar a biomassa. O gás de torrefação move-se dos orifícios de entrada 12b para cima através da biomassa. O gás de torrefação e a biomassa movem-se em contracorrente um com o outro. No segundo espaço de reação 55, isto é, abaixo do nível indicado pela linha tracejada C, a biomassa será torrificada à medida que ela se move para baixo.

[068] Gases de torrefação combustíveis são formados quando a biomassa é aquecida até a temperatura de torrefação máxima Tt0rr no segundo espaço de reação 55. A quantidade de gás de torrefação combustível aumenta, mantendo esta temperatura por um certo tempo. O gás de torrefação introduzido e os gases de torrefação formados deixam a câmara de torrefação 55 pelos orifícios de saída 14.

[069] Os orifícios de saída 14 são conectados no tubo 16 com a ajuda de uma linha de derivação, e o tubo 16 é conectado a uma unidade de combustão 20 (não mostrada na figura 5). Os orifícios de saída 14 são igualmente conectados a um segundo trocador de calor 201, e parte do gás de torrefação formado passa para o segundo trocador de calor 201. O trocador de calor 201 aquece o gás de torrefação, e o gás de torrefação aquecido é introduzido na câmara de torrefação 55 pelos orifícios de entrada 12b. Nesta modalidade exemplar, o gás de torrefação formado é usado como o gás de torrefação. Este gás é recirculado em um segundo circuito 205.

[070] O perfil de temperatura mostrado na figura 4 também se aplica à modalidade ilustrada na figura 5. A biomassa e o gás de secagem movem-se na câmara de secagem 54 em co-corrente um com o outro. Em decorrência disto, a umidade residual pode ser eliminada da biomassa de forma rápida e eficiente. Na câmara de torrefação 55, a biomassa e o gás de torrefação supridos movem-se em contracorrente um com o outro. Isto possibilita controlar a temperatura de torrefação máxima com precisão.

[071] O aquecimento do gás de secagem e do gás de torrefação nos respectivos trocadores de calor 200 e 201 pode ser realizado com a ajuda de um 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, incluindo os trocadores de calor 200 e 201. Isto é possível pelo uso de um fluxo co-corrente na câmara de secagem 54 e um fluxo contracorrente na câmara de torrefação 55, caso este em que as temperaturas do gás de secagem e do gás de torrefação permanecem relativamente baixas.

[072] A biomassa tonificada é removida do reator de torrefação 10 pela saída 13. A biomassa tonificada é então transferida para um refrigerador 40 (não mostrado na figura 5), onde a biomassa pode ser resfriada até a temperatura ambiente. Isto está indicado na figura 2 por "resfriamento".

[073] A invenção certamente não está restrita às modalidades supradescritas. Com base em processos conhecidos, por exemplo, versados na técnica podem introduzir várias modificações de acordo com o escopo da invenção. Por exemplo, a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55 podem ser feitas como entidades separadas, conectadas uma na outra por um tubo. A câmara de secagem 54 é então alojada em um secador de umidade residual separado, ao passo que a câmara de torrefação 55 é incorporada no reator de torrefação 10. Neste caso, o secador de umidade residual no sistema ilustrado na figura 1 é inserido entre o secador preliminar 3 e o reator de torrefação 10. Existe então também uma separação física entre a câmara de secagem 54 e a câmara de torrefação 55, diferente da modalidade mostrada na figura 3.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Processo para tratar um material, tal como uma biomassa ou resíduo, compreendendo: - a provisão de um material que contém uma quantidade de umidade residual; - a provisão de um reator de torrefaçao (10); - o aquecimento do material no reator de torre fação (10) a uma temperatura de torrefaçao em uma atmosfera de baixo oxigênio no reator de torrefaçao (10), em que o material é convertido a um material tonificado, caracterizado pelo fato de que o material com a umidade residual contida nele é essencialmente seco por completo na câmara de secagem (54) pela evaporação da umidade residual, e a torrefaçao do material seco é essencial mente realizada na câmara de torrefação (55) do reator de lorrefação (10), e o material é trans ferido através do reator de torre fação (10) em uma direção de transporte (B), e a secagem do material na câmara de secagem (54) é realizada introduzindo nele um gás de secagem quente que escoa através da câmara de secagem (54) em co-corrente com o material, e a tonefação do material na câmara de tonefação (55) do reator de torrefaçao é realizada introduzindo nele um gás de torrefaçao quente que escoa através da câmara de torre fação (55) do reator de torrefaçao (10) em contra corrente com o material ,

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de torrefaçao (10) compreende a câmara de secagem (54) e a câmara de torre fação (55),

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a câmara de secagem é alojada em um secador de umidade residual, e a câmara de torrefaçao é alojada no reator de torrefaçao.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material contém partículas sólidas que movem através do reator de torrefação (10) na forma de um leito móvel compactado.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, 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 secagem e é introduzido em um primeiro trocador de calor, que aquece este gás de secagem, depois do que o gás de secagem aquecido pelo primeiro trocador de calor é introduzido na câmara de secagem (54), e o gás de torrefação, depois de 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 de calor, que aquece este gás de torrefação, depois do que o gás de torrefação que foi aquecido pelo segundo trocador de calor é introduzido na câmara de torrefação (55).

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a provisão do material compreende introduzir uma matéria-prima relativamente úmida em um secador (3), e aquecer o material no secador (3) para evaporar umidade do material até que a quantidade de umidade residual permaneça nele, o material que foi seco no secador (3) sendo introduzido na câmara de secagem (54).

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás quente introduzido na câmara de torrefação (55) é na faixa de 200-400 °C, por exemplo, 300 °C.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás quente introduzido na câmara de secagem (54) é na faixa de 150-600 °C, por exemplo, 350 °C.

9. Dispositivo para tratar um material, tal como uma biomassa ou produto residual, cujo dispositivo compreende um reator de torrefação (10) que pode ser alimentado com material que contém uma quantidade de umidade residual, cujo reator de torrefação (10) é provido com uma entrada (11) para introduzir este material no reator de torrefação (10), meio de aquecimento (12) para aquecer o material no reator de torrefação (10) a uma temperatura de torrefação, meio de tratamento com ar para criar uma atmosfera de baixo oxigênio no reator de torrefação, onde o material pode ser convertido em material tonificado durante operação, e uma saída (13) para remover 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 essencialmente completa do material pela evaporação da umidade residual e cuja câmara de torrefação (55) é adaptada para torrificar o material, e em que a câmara de torrefação (55) fica localizada à jusante da câmara de secagem (54) quando vista na direção de fluxo do material, e em que a câmara de secagem (54) tem pelo menos um orifício de entrada (12a) para gás de secagem e pelo menos um orifício de saída (15) para o dito gás de secagem e possivelmente gás e/ou vapor formado durante a evaporação da umidade residual, cujo orifício de entrada (12a) para gás de secagem fica localizado na extremidade da câmara de 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 a câmara de torrefação (55) tem pelo menos um orifício de entrada (12b) para gás de torrefação e pelo menos um orifício de saída (14) para o dito gás de torrefação, e gás de torrefação formado no processo de torrefação, cujo orifício de entrada (12b) para gás de torrefação fica localizado na extremidade da câmara de torrefação (55) que fica voltada para a saída (13), e o orifício de saída (14) fica localizado na extremidade oposta da câmara de torrefação (55).

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende dois trocadores de calor, em que o primeiro trocador de calor é provido para aquecer o gás de secagem e é conectado no orifício de entrada e no orifício de saída da câmara de secagem a fim de formar um circuito de gás de secagem, e o segundo trocador de calor é provido para aquecer o gás de torrefação e é conectado no orifício de enfiada e no orifício de saída da câmara de torrefação para formar um circuito de gás de torrefação.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que é provido um secador (3) que pode ser alimentado com um material relativamente úmido, que é equipado com um meio de aquecimento (6) para aquecer este material a fim de evaporar umidade do material até que a quantidade de umidade residual permaneça no material, e em que o secador (3) é conectado na câmara de secagem (54) para introduzir o material seco no secador (3) na câmara de secagem (54).

12. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9-11, caracterizado pelo fato de que, quando visto na direção de fluxo do material, a câmara de secagem (54) fica localizada enfie a enfiada (11) para material e a câmara de torrefação (55), e a câmara de torrefação (55) fica localizada enfie a câmara de secagem (54) e a saída (13) para material torrificado.

13. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que o reator de torrefação (10) é ligado por uma parede periférica (50), e a câmara de secagem (54) e a câmara de torrefação (55) estendem-se como uma continuação uma da outra dentro da parede periférica (50).

14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o reator de torrefação (10) é montado na posição vertical, e em que diversos orifícios de enfiada (12a) são providos na parede periférica (50), um acima do outro, para a introdução de gás de secagem.

15. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9-14, caracterizado pelo fato de que a saída (13) é conectada a uma câmara de resfriamento (40), e em que o material tonificado pode ser introduzido pela câmara de torrefação (55) na câmara de resfriamento (40).

16. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a câmara de resfriamento (40) é provida com orifícios de entrada (41) para a introdução de gás de resfriamento.