BRPI0706636A2 - sistemas para prevenção de emissões de hap e para processos eficientes de secagem/desidratação - Google Patents
sistemas para prevenção de emissões de hap e para processos eficientes de secagem/desidratação Download PDFInfo
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Abstract
SISTEMAS PARA PREVENçAO DE EMISSõES DE HAP E PARA PROCESSOS EFICIENTES DE SECAGEM/DESIDRATAçãO. Esta invenção apresenta sistemas, aparelhos e métodos para secagem ou desidratação de matéria-prima com alto conteúdo de umidade para secar ou diminuir a umidade dos produtos. Os sistemas de equipamentos compreendem uma unidade de gerador de turbina a gás (fonte de calor preferida), um tanque secador e uma unidade de processamento, onde a conexão entre a turbina a gás e o tanque secador dirige substancialmente toda a exaustão da turbina a gás para dentro do tanque secador e elimina consideravelmente a introdução de ar para dentro do tanque secador, e no qual a unidade de processamento molda o material secado do tanque secador em grânulos, péletes, flocos ou outra forma desejada para o produto final, Os sistemas, aparelhos e métodos desta invenção também proporcionam a prevenção da liberação de emissões de HAP, incluindo emissões de VOC, das instalações fabris, em conjunção ou independente do tratamento acima de matéria-prima com alto conteúdo de água.
Description
SISTEMAS PARA PREVENÇÃO DE EMISSÕES DE HAP E PARA PROCESSOSEFICIENTES DE SECAGEM/DESIDRATAÇÃO
CAMPO DA INVENÇÃO
Esta invenção relaciona-se com processos, sistemas eequipamento para remover economicamente água de matérias-primas ou materiais intermediários em processos defabricação e/ou para controlar ou prevenir, de formaeconômica, emissões de HAP (poluentes de ar nocivos),incluindo VOC's (compostos orgânicos voláteis) em processosindustriais e fábricas em operação.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
As instalações de processamento industrial paraalimentos, papel, medicamentos e outras manufaturas queenvolvem o uso e a remoção de grandes quantidades de águatêm uma necessidade continua de equipamentos e processosmais eficientes e mais econômicos para a remoção de água emfluxos de matérias-primas e/ou de produtos intermediários.O aumento de custos de combustível sempre traz maisurgência à necessidade de mais eficiência e menor custopara tecnologias de remoção de água e desidratação.
As instalações de processamento e fabricaçãoindustrial que produzem emissões de poluentes de ar nocivos(HAP), incluindo compostos orgânicos voláteis (VOC) possuemuma necessidade contínua de equipamentos e processos maiseficientes e mais econômicos para o controle e prevenção detais emissões na atmosfera. O aumento da pressãoregulatória de Agências de Proteção Ambiental (EPA's)federais, estaduais e do interior sobre instalaçõesindustriais para eliminar ou reduzir a emissão de HAP têmresultado em mais urgência por tecnologias de controle deemissão de HAP aperfeiçoadas e mais econômicas.
Os sistemas de técnicas anteriores não têm abordadosatisfatoriamente o problema de emissões de HAP produzidasem operações de produção industrial. As fontes de taisemissões são os próprios processos industriais e osmateriais produzidos nos processos de fabricação. Algumasdestas emissões são passadas através de purificadores ouconversores para conter ou alterar o conteúdo de HAP, masalgumas são típica e freqüentemente lançadas ou liberadaspara a atmosfera, e são condenáveis ambientalmente em razãoda poluição atmosférica causada por VOC's, gases de efeitoestufa e outros componentes nelas contidos.
Exemplos de publicações de técnicas anteriores que têmabordado os problemas acima incluem as Patentes Norte-americanas 5.866.752, de Goozner, e 6.944.967, de Staples,cujas exposições são incluídas aqui como referência em suatotalidade.
É evidente do acima que há uma substancial necessidadenão satisfeita de tecnologias ambiental e economicamenteaceitáveis para controle e prevenção de emissões de HAP epara a remoção econômica de água de fluxos de processos comalto conteúdo de água. A presente invenção é direcionada amétodos, aparelho, sistemas e produtos para reunir algumasou todas estas necessidades.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção proporciona métodos, sistemas eaparelho econômicos e simplificados para controlar e conteremissões de HAP, incluindo emissões de VOC de diversasoperações industriais.
Em um aspecto, esta invenção proporciona um métodopara controlar as emissões de HAP de uma instalação fabrilcompreendendo passar a emissão de HAP para dentro daentrada do ar de combustão de uma turbina a gás, a qual épreferivelmente um gerador de turbina a gás.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona umaparelho para controlar as emissões de HAP de umainstalação fabril compreendendo uma turbina a gás,preferivelmente um gerador de turbina a gás, e uma conexãoentre o equipamento emissor de HAP e a turbina a gás quedirige pelo menos uma parte, e preferivelmente todas elas,das emissões de HAP para dentro da entrada de ar decombustão da turbina a gás.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona um métodopara modificar uma instalação fabril existente, contendouma turbina a gás ou um gerador de turbina a gás e tendoemissões de HAP, que compreende conectar a fonte de emissãode HAP à entrada de ar de combustão da turbina paradirecionar pelo menos uma parte, preferivelmente todas, dasemissões de HAP para dentro da entrada de ar de combustãoda turbina a gás.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona métodos,sistemas e aparelho econômicos e simplificados para removerágua, desidratando e/ou convertendo termicamente pelo menosuma matéria prima contendo água, preferivelmente umamatéria-prima com alto conteúdo de água.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona um métodopara água de uma matéria-prima com alto conteúdo de águacompreendendo contatar a matéria-prima com alto conteúdo deágua com os gases de exaustão de uma turbina a gás,preferivelmente um gerador de turbina a gás. Depreferência, o contato é feito sob condições de exclusãosubstancial do ar externo da etapa de contato paraproporcionar o máximo de economia e eliminar a oxidação dosmateriais da matéria-prima durante a remoção de água.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona aparelhopara secagem e/ou conversão de matéria-prima com altoconteúdo de água, compreendendo uma turbina a gás emcombinação com um tanque secador adaptado para recebermatéria-prima com alto conteúdo de água e para receber osgases de exaustão da turbina a gás através de uma conexão;no qual a conexão entre a turbina a gás e o tanque secadoré adaptada de modo preferencial para eliminarsubstancialmente a introdução de ar dentro do tanquesecador e, de preferência, proporcionar o tanque secadoradaptado para tal secagem e/ou conversão de matéria-primacom alto conteúdo de água por contato direto dos gases deexaustão e a matéria-prima com alto conteúdo de água.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona um sistemamóvel para processar matéria-prima com alto conteúdo deágua, compreendendo pelo menos uma unidade secadora móveladaptada para secar ou tratar por calor uma matéria-primacom alto conteúdo de água para produzir um material seco oualterado, e pelo menos uma unidade de processamento móvelpara converter o material secado ou alterado da unidadesecadora em um produto com uma forma adequada para manuseioe transporte convencionais, e preferivelmente queproporcione tal sistema móvel em que a unidade secadoracompreende uma turbina a gás, de preferência um gerador deturbina a gás, e um tanque secador. Além disso, a invençãoproporciona de modo opcional semelhante sistema móvel, noqual a turbina a gás e o tanque secador são conectados porum arranjo que passa os gases de exaustão da turbina paradentro do tanque secador e elimina consideravelmente aintrodução de ar dentro do tanque secador.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona o sistemamóvel acima, compreendendo uma primeira unidade montada emum plano inclinado englobando o gerador de turbina a gásadaptado para produzir eletricidade; e uma segunda unidademontada em um plano inclinado, compreendendo o tanquesecador adaptado para se conectar à turbina a gás e receberos gases de exaustão da turbina a gás e eliminar aintrodução de ar no tanque secador. Opcionalmente, éproporcionada uma terceira unidade montada em um planoinclinado, compreendendo a unidade de processamento. Depreferência, os sistemas portáteis desta invençãocompreendem unidades montadas em trilhos, em caminhão ou emsemi-reboque. Em outro aspecto, esta invenção proporciona osistema móvel compreendendo a turbina a gás e o tanquesecador, mais uma unidade de processamento opcional,configurada e dimensionada para uma única instalação demontagem em um plano inclinado ou em caminhão. Outroaspecto opcional compreende uma cobertura, ou coberturas,para as unidades móveis, principalmente para operar aatenuação de ruído, assim como proteger das condições detempo.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona um sistemapara controle e destruição de emissões de HAP deinstalações industriais, compreendendo uma turbina a gáscom uma entrada de ar de combustão e uma instalação comemissão de HAP, na qual a entrada de ar de combustão éadaptada para receber pelo menos parte, e de preferênciasubstancialmente toda a emissão de HAP da instalação. Aturbina a gás pode, opcionalmente, compreender um geradorde turbina a gás e incluir um tanque secador para receber aexaustão do gás da turbina e receber e tratar por calor amatéria-prima com alto conteúdo de água. Em um aspectoalternativo, esta invenção proporciona ditos sistemas paraprocessar tal emissão de HAP através da entrada de ar decombustão de um motor de movimento alternado que pode,opcionalmente, incluir um gerador elétrico e um tanquesecador adaptado para receber a exaustão do motor. Emoutro aspecto alternativo, as emissões de HAP podem serdirecionados para dentro da entrada de ar de combustão degás, óleo, ou outras câmaras de combustão que sãoempregadas para executar a secagem, desidratação e/ouconversão de material, de acordo com os aspectos acimadesta invenção.
Em outro aspecto, esta invenção proporciona umaparelho para tratamento de matéria-prima com alto conteúdode água, compreendendo uma turbina a gás com uma entrada dear de combustão adaptada para receber emissão de HAP de umainstalação industrial produzindo matéria-prima com altoconteúdo de água, um tanque secador com uma conexãoadaptada para receber gases de exaustão da turbina a gás etendo uma entrada para receber a matéria-prima com altoconteúdo de água. Opcionalmente, a entrada de ar decombustão pode ser adaptada para conexão ao sistema deventilação da instalação, por meio do qual a entrada de arde combustão recebe consideravelmente todas as emissões deHAP da instalação. Adicionalmente neste aspecto, a conexãoentre o tanque secador e a exaustão da turbina a gás podemser adaptadas para eliminar substancialmente a introduçãode ar dentro do tanque secador.
Os aspectos acima e outros serão evidentes àquelesversados na técnica considerando a exposição aqui contida.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 é um diagrama esquemático de um processopara tratamento de matéria-prima com alto conteúdo de água,utilizando o processo e equipamento de acordo com apresente invenção.
A Figura 2 é uma vista de planta das unidades doprocesso, de acordo com esta invenção, na forma de unidadesmóveis, montadas em planos inclinados, transportáveis porcaminhões.
A Figura 3 é uma vista de planta das unidades doprocesso na forma de unidades móveis, montadas em planosinclinados, transportáveis em caminhões, em outraconfiguração.
A Figura 4A é uma vista de planta e a Figura 4B é umavista de elevação da ilustração de uma configuração dosistema desta invenção montada em um caminhão semi-reboque.
A Figura 5 é uma esquematização de processos paraprevenir emissões de HAP e outros gases na atmosfera usandoos sistemas da presente invenção.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Esta invenção proporciona uma solução econômica,eficiente e simplificada para o progressivamente graveproblema da poluição ambiental causada por emissões de HAPde operações industriais. Os métodos e sistemas da técnicaanterior proporcionados até a data, ou não sãosuficientemente efetivos no controle de tais emissões, ounão são adaptáveis para serem economicamente exeqüíveispara pequenas, assim como para grandes operaçõesindustriais. Existem outros problemas com muitos dossistemas da técnica anterior, incluindo falta de economiapara operar, falha na descontaminação e falha para prevenira poluição do ar (ou de fato causando problemas ambientaisadicionais ou alternativos na operação do processo).
A presente invenção proporciona tecnologia altamenteeficiente e econômica na forma de processos, aparelho esistemas para (a) processar matérias-primas com altoconteúdo de água e (b) reduzir ou eliminar as emissõesindesejáveis de HAP. A maior eficiência e benefícioeconômico da presente invenção são obtidos quando osprocessos, aparelho e sistemas desta invenção sãoempregados em uma única instalação industrial paraprocessar, ao mesmo tempo, matéria-prima com alto conteúdode água e controlar as emissões de HAP, porém benefíciossimilares podem ser concretizados quando os processos,aparelho e sistemas desta invenção são utilizados paraprocessar matéria-prima com alto conteúdo de água em uma,ou para uma instalação, e controlar emissões de HAP em uma,ou de uma segunda instalação próxima ou vizinha. Estainvenção pode proporcionar benefícios substanciais a umainstalação utilizando (a) ou (b), ou ambos.
O termo "matéria-prima com alto conteúdo de água" éaqui utilizado para significar e incluir fluxos deprocessos de produção industrial, os quais podem ser fluxosde matéria-prima, fluxos intermediários, ou fluxos deprodutos semi-acabados que necessitam ter a água removidapara permitir processamento adicional, ou fabricar umproduto final que pode, opcionalmente, compreendermateriais orgânicos ou materiais inorgânicos, ou umamistura deles. Esta invenção pode proporcionar processos esistemas eficientes para a remoção de água de fluxos deprocessos e/ou fornecer aquecimento para convertertermicamente, ou reagir, um fluxo de produto para umproduto convertido ou reagido (em lotes ou em operaçõescontinuas). Usos desta invenção incluem a remoção de água,a secagem e o tratamento de fluxos de processos contínuose/ou lotes em fabricação de papel, indústrias de placas deaglomerado, de papelão, de placas de gesso, placas verdes,etc., processamento de batatas, produção de alimentaçãohumana tal como produção de aveia em flocos, flocos demilhos, karo, farinha de milho, amido de milho, purê debatatas, açúcar, leite, leite em pó, queijo, temperos,molho de tomate, geléias e gelatinas, café "instantâneo",concentrados de sucos e outros produtos desidratados quesão reidratados por ocasião do uso, cerveja e outrosprodutos fermentados e/ou destilados, alimentos em flocos,lanches e outros produtos de consumo tais como alimentopara animais domésticos, medicamentos, cosméticos, produtosquímicos e outras instalações fabris. Como está evidente,os sistemas e processos desta invenção podem ser utilizadospara processar uma matéria-prima por desidratação semconversão ou reação, por conversão ou reação semdesidratação, ou por qualquer combinação ou proporção entreambos. Os sistemas e aparelho desta invenção também podemser adaptados para a colocação em instalações separadas,específicas para interceptar os fluxos de processo para aremoção de água. São apresentados aspectos relacionados comesta invenção para uso no processamento de resíduos demateriais, estrume e redes de esgotos municipais, nospedidos de patentes norte-americanos copendentes cedidos àmesma cessionária Série número 11/184.738 e Série número11/184.739, ambas depositados em 18 de julho de 2005, cujasrevelações são incluídas aqui como referência em suatotalidade.
A presente invenção proporciona processoseconomicamente eficientes, simplificados, para fabricarprodutos líquidos, em pasta, de mistura rala ou sólidos,que compreendem os conteúdos sólidos de matérias-primas comalto conteúdo de água (incluindo fluxos de processosintermediários ou produtos intermediários) que foramdesidratados até o nível de conteúdo de umidade desejadoe/ou foram convertidos, reagidos ou alterados, física ouquimicamente, conforme desejado. Esta invenção tambémproporciona a recuperação e reciclagem da água removida damatéria-prima, que pode ser usada para tratamento de águaou outros usos industriais, e para recuperar e reciclartodos os sólidos (moinhas ou outros)obtidos no processo, demodo a não haver outros produtos sólidos significantesproduzidos ou resultantes desta invenção que não osprodutos adequados para uso comercial desejados. Seráevidente para aqueles versados na técnica a partir destaapresentação, a seleção e adaptação dos processos, aparelhoe sistemas desta invenção para tratar ou processar umamatéria-prima específica para produzir um material desejadoem especial, seja sólido, pasta ou mistura rala.
De acordo com esta invenção, o mais eficiente caminhopara proporcionar os gases quentes para contato com amatéria-prima com alto conteúdo de água é a exaustão de umaturbina a gás, preferivelmente de um gerador elétrico deturbina a gás. De acordo com o sistema desta invenção, ogás de turbina é abastecido de fontes de combustívelconvencionais disponíveis localmente, tal como um gasodutode gás natural. A eletricidade produzida pelo gerador deturbina a gás é preferivelmente usada internamente, nainstalação fabril, ou em outras instalações próximas, comouma fonte de energia elétrica ou em combinação de usos paraa energia e o calor recuperado dos processos empregadosnesta invenção, ou pode ser vendida para a rede elétricalocal como fonte de receita.
Uma característica preferencial do processo e aparelhodesta invenção é que a turbina a gás e o tanque secador dematéria-prima com alto conteúdo de água recebendo o gás deexaustão da turbina a gás são conectados juntos, de modoque a indução do ar externo para dentro do tanque secador ésubstancial e completamente eliminada e, de preferência, otanque secador recebe os gases de exaustão diretamente daturbina a gás. É preferido que 100% dos gases de exaustãoda turbina a gás sejam passados para o tanque secador e,para operação mais eficiente, de preferência sem passaratravés de qualquer trocador de calor interveniente,silencioso ou outro equipamento, de modo que o tanquesecador receba o máximo de aquecimento de exaustão daturbina a gás. É também admitido que o excesso dos gases deexaustão da turbina não necessários à operação do tanquesecador pode ser desviado para proporcionar o calorrequerido em outros aspectos da instalação fabril ou emoutras instalações próximas. Também é preferido que osgases de exaustão resultem de taxas de combustão eficientese convencionais na turbina a gás, tal que os gases deexaustão contenham o minimo, ou uma quantidade limitada, deoxigênio livre, basicamente nenhum combustível nãoqueimado, nenhuma chama exposta, e que a temperatura ótimado gás de exaustão (EGT) seja obtida, para o máximo calorproduzido, por unidade de combustível consumido. Sedesejado, a combustão pode estar na taxa estequiométricapara o pico de operação de EGT na temperatura máxima eentrada de máximo calor para o processo e sistema destainvenção. A ausência de excesso de oxigênio nos gases deexaustão, a eliminação de indução do ar externo para dentrodo tanque secador, a ausência de chamas expostas e aoperação a temperaturas estabelecidas evitam uma oxidaçãosignificativa da matéria-prima com alto conteúdo de água notanque secador, preservam o máximo do valor nutriente namatéria-prima com alto conteúdo de água para contenção noproduto final e, quando a produção do tanque secador é ummaterial oxidável, seco, previnem o perigo de danos porfogo no equipamento e proporcionam uma operação livre defogos de jato no tanque secador. A ausência de excesso decombustível nos gases de exaustão impede esses gases deexaustão de serem fonte de hidrocarbonetos que devem serretirados do efluente de vapor da operação desta invençãoantes de ser lançado na atmosfera. Em outras operaçõespreferenciais desta invenção, pode ser desejável, ouessencial, que o ar, ou oxigênio, seja introduzido emquantidades ou taxas controladas para proporcionar aoxidação ou conversão química desejada da matéria-prima comalto conteúdo de água no tanque secador.
Para uso nesta invenção, prefere-se que a matéria-prima com alto conteúdo de água tenha um teor de umidadepelo menos 30% em peso de água, preferivelmente pelo menos50%, e mais preferivelmente pelo menos 70%, adequado a queo benefício econômico desta invenção seja melhor utilizado.No entanto, em algumas operações o conteúdo de água damatéria-prima pode ser tão alto quanto 90%, 95%, ou até98%. Em adição, a matéria-prima pode ser uma solução comtodos os sólidos nela dissolvidos, onde os sólidosdissolvidos são precipitados quando é evaporada a água damatéria-prima nos processos e sistemas desta invenção. Apresente invenção pode processar econômica e eficientementetais matérias-primas com alto conteúdo de água para nãoapenas recuperar os conteúdos sólidos na forma de umproduto final, mas também recuperar a água do processo, quepode ser reciclada e novamente utilizada. Esta invençãopode processar e desidratar matérias-primas com altoconteúdo de água de modo eficiente e econômico em razão dofato de que, em seus aspectos preferenciais, de uma dadacombustão de combustível de gás natural o gerador deturbina a gás proporciona tanto a energia elétrica para usoou venda, quanto o calor para processar a matéria-prima e,ainda, o excesso de vapor produzido no tanque secador quepode ser usado no fluxo de descida, de entrada, ou emoutras operações vizinhas, tais como pré-aquecer matéria-prima com alto conteúdo de água, calor de processamento,etc., proporcionando eficiência de combustível operacionaladicional. Esta invenção pode ser adaptada como aquirevelado para conter e processar não apenas a água esólidos, mas também os gases produzidos em uma operação defabricação. Em alguns casos, pode ser desejável, por razõesde operação econômica, separar mecanicamente parte da águada matéria-prima com alto conteúdo de água, por exemplo,por centrifugadoras, filtros ou prensas, antes de processara matéria-prima no sistema desta invenção. Tal águaseparada pode ser reciclada para uso, como acima revelado.
0 termo "turbina a gás" é usado aqui significando eincluindo qualquer motor de turbina com um estágio deturbina de compressão, uma zona de combustão e um estágiode turbina de exaustão capaz de produzir temperaturas degás de exaustão de pelo menos 260°C, preferivelmente pelomenos cerca de 371°C, mais preferivelmente pelo menos cercade 482°C, e bem mais preferivelmente maior que cerca de537°C. Turbinas a gás são a fonte de calor preferidas parauso nesta invenção, devido à sua operação eficiente e altaprodução de calor. O gerador de turbina a gás é aindapreferido para uso nesta invenção em razão da produção deenergia pelo gerador, que pode ser empregada ou vendidapara ampliar a economia de operação do sistema destainvenção. 0 gerador será tipicamente um gerador elétrico,em razão da conveniência de usar e/ou vender a eletricidadeproduzida. No entanto, o gerador pode ser qualquer outrotipo de gerador de energia desejado, tal como uma bombahidráulica ou unidade de força que possa acionar motoreshidráulicos ou bombas, transportadores de rosca sem fim,correias transportadoras ou outros tipos de equipamento nosistema desta invenção, ou equipamentos em outrasinstalações próximas. As necessidades de calor e a economiado sistema determinarão se será utilizada uma turbina a gásou um gerador de turbina a gás. Se for desejável ter gasesde exaustão de altas temperaturas e alta produção de calorde uma dada turbina de menor dimensão, pode ser desejávelusar uma turbina a gás em vez de um gerador de turbina agás de tamanho similar, Comparado à turbina a gás, ogerador de turbina a gás ainda expande e esfria os gases deexaustão na absorção de energia para acionar o gerador,enquanto que em uma turbina a gás essa energia é contida emgases de alta temperatura disponíveis para uso no tanquesecador desta invenção. Isto pode ser uma opção quando naprática desta invenção seja economicamente mais importanteter menores unidades de alta temperatura (transportáveispor caminhão) que ter o fluxo de receita ou o benefícioeconômico da eletricidade ou outra produção de energia pelaturbina a gás.
A turbina a gás ou o gerador de turbina a gásutilizável nesta invenção pode ser alimentada por qualquerfonte disponível, com qualquer combustível adequado para aturbina a gás específica e para o equipamento do processoprojetado de acordo com esta invenção. Os combustíveispreferidos e convencionais são gás natural doce, diesel,querosene e combustível de aviação, em razão de as turbinasa gás serem projetadas para funcionar de modo maiseficiente com estes tipos de combustível de boa qualidade eem função de sua disponibilidade comum, particularmente emoperações agrícolas afastadas, onde as unidades destainvenção são freqüentemente localizadas de modo maiseficiente. No entanto, outros combustíveis podem ser usadospara alimentar a turbina a gás, incluindo metano, propano,butano, hidrogênio, biogás e combustíveis biolíquidos (taiscomo metano, óleos, diesel e etanol). Uma vez que o sistemadesta invenção não produz biocombustível, o combustívelpara a turbina a gás utilizado nesta invenção deve estardisponível no local onde a invenção é empregada. Se nãoestiver disponível localmente, um combustível, como diesel,pode ser transportado para o local por caminhão, quandonecessário.
Exemplos de turbinas a gás e geradores de turbinas agás disponíveis comercialmente e utilizáveis na presenteinvenção incluem os seguintes (as capacidades de produçãoem megawatts (MW) são aproximadas):
- Motores de Turbina a gás Rolls Royce Allison 501-KB5, -KB5S ou -KB7, tendo uma condição padrão de capacidadede produção de 3,9 MW.
- Turbinas a Gás European Tornado, com capacidade deprodução de 7,0 MW.
- Solar Mars 90, com capacidade de produção de 9,4 MW,e Solar Mars 100, com capacidade de produção de 10,7 MW.
- Solar Tarus 60, com capacidade de produção de 5,5MW, e Solar Tarus 70, com capacidade de produção de 7,5 MW.
Para uma capacidade nominal de produção de produtossólidos de 2,5 toneladas métricas/hora (2.500 Kg/h), podeser usado um gerador de turbina a gás de dimensão cerca de4 MW, dependendo do isolamento de calor e eficiências derecuperação de calor projetadas no sistema como um todo.
Para sistemas isolados de produção menores, semi-rebocadosou transportados por caminhão, as unidades podem ser emescala menor. Para sistemas de rendimento de produçãomenor, tal como 0,3 toneladas métricas/hora de produção desaída, podem ser usadas turbinas a gás pequenas, tais comoos geradores Solar Saturn 0,8 MWi Solar Spartan 0,2 MW7 ouCapstone 0,5 MW ou 0,3 MW, dependendo da eficiência dosistema e das faixas de entrada de calor requeridas. Paragrandes instalações industriais, onde não há interesse emmovimentar o sistema desta invenção entre instalações, ogerador de turbina a gás pode ser de qualquer grandetamanho adequado para instalação permanente noestabelecimento, tais como unidades de 10 MW, 20 MW ou 40MW, ou maiores. Deverá ser admitido que sistemas de acordocom esta invenção podem também ser projetados para utilizaro calor do gás de exaustão de motores de movimentoalternativo, tais como geradores a diesel ou a gasolina.
0 tanque secador empregado nesta invenção pode ser dequalquer tipo ou configuração que seja adequada à secagemda matéria-prima com alto conteúdo de água disponível e quepossa ser adaptada para receber os gases de exaustão daturbina a gás e a matéria-prima com alto conteúdo de águasem permitir penetrar uma quantidade significativa de arambiente na câmara secadora no tanque secador, onde osgases de exaustão contatam a matéria-prima com altoconteúdo de água. 0 objetivo do projeto de conexão daexaustão da turbina a gás ao tanque secador para ospropósitos desta invenção é impedir qualquer ar ambientalde entrar em quantidade significativa no tanque secador,para ajudar a prevenir a oxidação substancial da matéria-prima com alto conteúdo de água. Com ressaltadopreviamente, isto é preferido para preservar a matériaorgânica, carbonatos e/ou valores nutrientes presentesnestes tipos de matérias-primas de alto conteúdo de água,evitar queimas e proporcionar uma operação segura. Comoutilizado nesta invenção, é preferível e esperado que aturbina seja operada a uma taxa convencional de combustívelpara ar de combustão, de modo a produzir a mais eficientetemperatura de exaustão de gás (EGT) para o tanque secadore produzir gases entrando no tanque secador que contenhamum mínimo de oxigênio livre. Será admitido pela exposiçãodesta invenção por aqueles versados na técnica que podemser utilizadas e conectadas ao tanque secador fontesalternativas de gases quentes outras que uma turbina a gás,tais como o exaustor de câmaras de combustão convencionaisde óleo ou gás e de motores de movimento alternativo, desdeque eles sejam operados em condições de taxas de combustãoconvencionais para minimizar o oxigênio livre, ou a umataxa estequiométrica para nenhum oxigênio livre noexaustor, e que sejam conectados ao tanque secador de ummodo que impeça a entrada substancial de ar externo notanque secador, de modo a impedir uma oxidaçãosignificativa da matéria-prima. Naturalmente, tal fonteadicional e alternativa de gases quentes pode ser conectadaopcionalmente ao tanque secador, de acordo com estainvenção, e ser usada para suplementar a produção de gasesde exaustão da turbina a gás, de modo a proporcionarcapacidade adicional de entrada de calor para o tanquesecador, se necessário a partida, desligamento ou acondições de carregamento por impulso, ou para reserva nocaso em que a turbina a gás fique desconectada.
Deverá ser admitido que em algumas operações destainvenção nem todo o ar externo pode ser excluído e aoxidação da matéria-prima com alto conteúdo de água nãopode ser completamente eliminada, principalmente devido aoar presente no interior e arrastado na matéria-prima comalto conteúdo de água, ao ar dissolvido na umidade presentena matéria-prima com alto conteúdo de água e no excesso deoxigênio que pode estar presente nos gases de exaustão daturbina durante períodos em que a taxa estequiométrica decombustível e ar não é empregada. Em adição, em algunscasos pode ser produzido ou liberado oxigênio de materiaisorgânicos ou outros presentes na matéria-prima com altoconteúdo de água, quando ocorre o tratamento térmico e aconversão que decompõe ou converte tais materiais. Por estemotivo, os termos como usados aqui que se referem a"eliminar a introdução de ar", "sem oxidaçãosignificativa", e semelhantes, são usados no contextooperacional acima e com reconhecimento e significadopretendido de que o oxigênio entrando no sistema como parteda matéria-prima com alto conteúdo de água, ou de gases deexaustão, ou produzidos no processo de conversão térmica,não é planejado ser eliminado, e que a oxidação que podeocorrer como o resultado deste ar entrando no sistema namatéria-prima com alto conteúdo de água não é planejada serevitada. No entanto, tal nível de oxidação não éconsiderado significativo dentro do objetivo, contexto eprática desta invenção ou dos significados desses termoscomo aqui usados. De modo similar, "sem pirólisesignificativa" é usado aqui para querer dizer que não maisque uma porção insignificante da matéria-prima com altoconteúdo de água é pirolizada, por exemplo, como na patentenorte-americana 6.039.774. Produtos de pirólise sãonormalmente indesejáveis nos processos e produtos dapresente invenção, e os processos e equipamentos destainvenção são operados para obter a desejada secagem damatéria-prima com alto conteúdo de água e a desejadaconversão dos diversos componentes da matéria-prima comalto conteúdo de água para os produtos finais desejados.
Acompanhando as revelações aqui contidas, ficará claro aosversados na técnica para algumas aplicações desta invenção,controlar temperaturas dos gases de exaustão, tempos decontato e/ou tempos de permanência no tanque secador,conteúdo de umidade dos sólidos e da fase de vapor notanque secador e outras variáveis do modo a processar umamatéria-prima com alto conteúdo de água específica paraobter os resultados desejáveis e para maximizar os produtosfinais desejados. Em outras aplicações desta invenção,temperaturas, tempos de contato e outros parâmetros de suaoperação podem ser adaptados para se obter um nível ou graude oxidação desejado, ou pirólise, se as propriedades doproduto final a ser feito usando os sistemas desta invençãorequer oxidação ou pirólise da matéria-prima.
Também a exclusão de ar externo é também preferidapara eficiência econômica, porque excesso de calor ou arexterno junto com o aquecimento da matéria-prima com altoconteúdo de água reduz a eficiência do processo. Em algunscasos, nos quais é muito baixo o teor de umidade namatéria-prima com alto conteúdo de água, ou demasiado secapara a operação preferencial desta invenção, pode seradicionada água à matéria-prima na exaustão da turbina, naentrada da turbina, ou no tanque secador, para aumentar onível de umidade no tanque secador com vistas a umaoperação eficiente e produzir materiais sólidos do tanquesecador com um conteúdo de umidade desejado.Deverá ser admitido que a operação do tanque secadoré, normalmente, para secar ou reduzir o conteúdo de umidadeda matéria-prima com alto conteúdo de água, mas é tambémpara obter o aquecimento em alta temperatura da matéria-prima com alto conteúdo de água para converter certoscomponentes e alcançar uma alteração térmica ou química namatéria-prima, proporcionando o conteúdo e as propriedadesdesejadas no produto final. Como observado, um aspectodesta invenção é a conversão térmica dos diversoscomponentes da matéria-prima com alto conteúdo de água semoxidação significativa pelo ar externo. Embora a quantidadede componentes em matérias-primas de alto conteúdo de águaseja grandemente diversificada, deverá ser entendido poraqueles versados na técnica de processamento convencionalde uma matéria-prima com alto conteúdo de água específicacomo empregar efetiva e eficientemente esta invenção paraaumentar a economia da operação de fabricação ao processaressa matéria-prima.
Os tipos de tanque secador que podem ser usados nestainvenção são, por exemplo, os que se seguem:
- Tambor rotativo, com ou sem raspadores, placas deagitação e/ou misturadores.
- Tambor estacionário secador "porco-espinho", com ousem raspadores e/ou placas de agitação e/ou misturadores.
- Cilindro secador escalonado de passo triplo ousistemas secadores de tambor rotativo, com ou semraspadores e/ou placas de agitação e/ou misturadores.
- Sistemas secadores de tambor rotativo com ou semtubos de vapor e com ou sem raspadores e/ou placasagitadoras e/ou misturadores.- Sistemas com turbulizadores ou turbo-secadores.
Sistemas secadores transportadores, com ou semraspadores e/ou placas de agitação e/ou misturadores.
- Sistemas secadores de contato direto ou indireto,com ou sem raspadores e/ou placas agitadoras e/oumisturadores.
- Secadores de bandeja.
- Secadores de camada fluida.
- Sistemas de evaporação.
- Fornos de cozer
Exemplos de tanques secadores disponíveiscomercialmente de utilidade, ou que podem ser adaptadospara uso nesta invenção, incluem:
- Scott AST™ Dryer Systems.
- Simon Dryer Ltd. - Drum dryers.
- Sistemas Wyssmont Turbo Dryer.
- Duske Engineering Co., Inc.
- Sistemas secadores Energy Unlimited.
- Sistemas de desidratação The Onix Corporation.
- Sistemas de secagem direta ou indireta InternationalTechnology Systems, Inc.
- Pulse Drying Systems, Inc.
- Sistemas secadores MEC Company.
Exemplos adicionais de tanques secadores utilizáveis,ou que podem ser adaptados para uso nesta invenção, sãorevelados na patente norte-americana números 5.746.006, deDuske e cols, e 5.570.517 e 6.367.163, de Luker, cujasdescobertas estão incluídas aqui em sua totalidade comoreferência.
Como acima observado, o "tanque secador"necessariamente não funciona sempre primeiramente como umsecador por remoção de umidade da matéria-prima com altoconteúdo de água no sistema desta invenção. 0 tanquesecador também funciona como tanque ou forno de tratamentotérmico/conversão/ alteração, no qual a matéria-prima comalto conteúdo de água é aquecida a temperaturas suficientese por tempos suficientes para produzir os materiais finaisdesejados e produtos, como apresentado aqui. Em adição, otanque secador não necessita proporcionar contato diretoentre os gases de exaustão da turbina, ou outra fonte decalor, e a matéria-prima com alto conteúdo de água, maspode proporcionar aquecimento indireto da matéria-prima comalto conteúdo de água para obter a secagem e/ou tratamentotérmico/conversão/alteração desejada de acordo com estainvenção. O tanque secador pode ser forrado com materialapropriado para prevenir ou reduzir corrosão, erosão oudesgaste excessivo. Deverá ser admitido que os sistemasdesta invenção podem ser adaptados para executar diversasfunções em diferentes configurações em uma instalação ouoperação específica. Por exemplo, dois tanques secadorespodem ser operados em série, onde uma matéria-prima comalto conteúdo de água é secada no primeiro tanque secador ea produção do primeiro tanque sendo tratada termicamente nosegundo tanque secador, para se obter a desejada conversãoou alteração, química ou física. Em tal tipo de arranjo, osgases de exaustão podem ser supridos de um único exaustorde turbina a gás dividido entre os dois tanques secadores,ou podem ser supridos por duas turbinas a gás separadas.Por este exemplo pode ser visto que os processos, aparelhoe sistemas desta invenção podem ser adaptados a operardiversos componentes de equipamentos em série ou emparalelo para executarem diferentes funções deprocessamento desejadas, seguindo os ensinamentos destainvenção de modo a se obter a sua operação efetiva eeconômica.
Outra característica do tanque secador adaptado parauso nesta invenção é que preferivelmente o tanque secadortambém funciona como silencioso para a turbina a gás ououtro motor fornecendo os gases de exaustão quentes. É bemconhecido que turbinas a gás (basicamente motores de aviõesa jato) produzem um alto nível de impacto de ruído emambientes próximos a elas. Turbinas a gás estacionáriasusadas para gerar energia elétrica ou outros propósitos sãoobrigadas usualmente pela regulamentação federal, estadualou local a terem silenciosos instalados para abafar o ruídode exaustão da turbina a gás a níveis aceitáveis. Taissilenciosos têm as desvantagens econômicas do custo e decriar pressão de retorno no exaustor da turbina a gás, oque reduz a eficiência de sua operação. Uma vantagemproporcionada por esta invenção, em razão da conexão entreo exaustor da turbina a gás e o tanque secadorpreferivelmente sendo fechado ao ar ambiente, é que otanque secador funciona efetivamente como um silenciosopara a turbina a gás. Isto é, pelo menos em parte, umresultado da construção da configuração interna do tanquesecador em combinação com a presença de matéria-prima comalto conteúdo de água, combinação essa que é efetiva naabsorção e abafamento do ruído de exaustão da turbina agás. Isto ocorre também em razão da extremidade do fluxo dedescida do secador também ser fechada à atmosfera, porque ovapor e os gases liberados do tanque secador são coletadospara condensação, limpeza, reciclagem, e para recuperaçãode calor no processamento do fluxo de descida em um sistemafechado antes de serem lançados na atmosfera. Será evidenteaos versados na técnica que a capacidade de descarga emdiferentes pontos no processo e o sistema do equipamentopodem ser desejáveis para acomodar a partida, desligamentoe recalque da variabilidade da matéria-prima, mas seráoperado, normalmente, como um sistema fechado tendo apenasa confecção de um produto final e a limpeza do lançamentode gás. A exaustão da turbina pode, de modo opcional serparcial ou temporariamente desviada em seu total paraoutras unidades de fluxo de descida, contornando o tanquesecador quando necessário para calor adicional em outrasunidades de processamento, ou para partida, desligamento,ou recalque.
Outro aspecto desta invenção é que o vapor e os gasesliberados podem ser arrastados da extremidade de descargado tanque secador por um ventilador apropriado, ventoinha,etc., para fornecer uma pressão reduzida na entrada dofluxo de subida do tanque secador, reduzindo deste modo apressão de retorno no exaustor da turbina. Isto aumenta aeficiência de operação da turbina a gás e é tornadopossível porque a conexão entre o exaustor da turbina a gáse o tanque secador não é aberta ao ar exterior. Deverá serentendido que o projeto do sistema comercial pode incluirum suspiro, ou mesmo um silencioso convencional, conectadoem "Τ", ou outra configuração, na conexão entre o exaustorda turbina a gás e o tanque secador para uso durante aoperação de partida, desligamento ou recalque, mas nãodeverá ser empregado na configuração normal de operaçãopara o processo e aparelho desta invenção como descritoacima. Para se obter a melhor eficiência de operação destainvenção, é preferível que a conexão entre o exaustor daturbina a gás e a entrada do tanque secador não tenhaobstruções, para fazer distribuir os gases de exaustão parao tanque secador com um mínimo de perdas de calor e deenergia entre a turbina a gás e o tanque secador. Deveráainda ser admitido desta apresentação que a operação de umgerador de turbina a gás deverá ser preferivelmentecontrolada, para máxima eficiência ou economia na secagemda matéria-prima com alto conteúdo de água, conversãotérmica, alteração química ou outros processamentosnecessários, o que pode não ser a melhor ou a maisvantajosa condição de operação de turbina a gás para aprodução de eletricidade. A produção de eletricidade é umfluxo de receita de recuperação de custos para o sistema,porém a economia total da operação desta invenção pode sermelhor sob condições de operação da turbina a gás quefavoreçam a máxima produção de calor de exaustão para aoperação eficiente do tanque secador e a produção do fluxode descida de produtos com as propriedades desejadas edesfavoreçam a produção de eletricidade. A determinação detais condições de operação para uma instalação específicadesta invenção será evidente para aqueles versados natécnica seguindo as instruções aqui contidas. Sistemas decontrole de turbina a gás deste tipo são reveladas nopedido de patente norte-americano copendente, cedido aomesmo cessionário do presente pedido, série número11/185.433, depositado em 19 de julho de 2005, cujaexposição é incluída aqui em sua totalidade comoreferência.
Outra vantagem proporcionada por esta invenção resultado contato do gás de exaustão da turbina a gás com amatéria-prima com alto conteúdo de água no espaço confinadodo tanque secador sem a presença de ar ambientesignificativo. As emissões NOx e S0X; e, em alguma extensão,de emissões de CO e CO2, na exaustão da turbina a gás sãoreduzidas substancialmente e, em alguns casos, reduzidas azero pela absorção ou mistura dos componentes NOx e SOx namatéria-prima com alto conteúdo de água, onde elespermanecem absorvidos, misturados ou fixados no materialsecado ou tratado deixando o tanque secador e no produtodepois do processamento em grânulos, péletes, agregados ououtras formas. Isto proporciona ambas as vantagens dediminuir ou eliminar as emissões de NOx e SOx (e C0/C02) naatmosfera e adicionar os componentes nitrogênio, enxofre ecarbono ao valor nutriente do produto fabricado peloprocesso e aparelho desta invenção. As condições deoperação e procedimentos para o tanque secador serãoevidentes àqueles versados na técnica seguindo asorientações inclusas na exposição desta invenção. Atemperatura típica do gás de exaustão da turbina entrandono tanque secador deverá ser na faixa de cerca de 26O0C acerca de 815°C, dependendo da mistura e outros conteúdos damatéria-prima com alto conteúdo de água e a condiçãodesejada da confecção do produto do tanque de lavagem. Emsistema menores, com menores motores, a temperatura do gásde exaustão de entrada pode ser tão baixa quanto cerca de149°C ou cerca de 177°C. Uma faixa preferida é de cerca de316°C a cerca de 649°C, e é mais preferido que atemperatura de entrada seja de pelo menos cerca de 343°C emais preferivelmente pelo menos cerca de 371°C. Atemperatura e a velocidade do fluxo do gás entrando notanque secador dependerá em parte do conteúdo de umidade eoutras propriedades da matéria-prima com alto conteúdo deágua. Conteúdos mais altos de umidade de modo óbvio e geralnecessitam de temperaturas mais altas do gás de entradapara reduzir o conteúdo de umidade. Acredita-se que umaeficiência adicional seja obtida no sistema da presenteinvenção, onde a matéria-prima com alto conteúdo de águacontata com gases de alta temperatura. Tal contato causa aformação, algumas vezes instantaneamente, de vaporsuperaquecido quando a umidade deixa a matéria-prima comalto conteúdo de água, e então este vapor superaquecidoaquece e leva a mistura para fora da matéria-prima com altoconteúdo de água adjacente. Acredita-se que este mecanismoé responsável para a rápida secagem da matéria-prima comalto conteúdo de água para um teor de umidade baixo, demodo que o tempo de permanência restante da matéria-primacom alto conteúdo de água no tanque secador contribui parao desejado tratamento térmico/conversão/alteração ou o seu"cozimento", de acordo com esta invenção. Algumas matérias-primas com alto conteúdo de água podem requerertemperaturas mais baixas, porém mais tempo de permanênciapara obterem a conversão ou "cozimento" necessário a fazerum produto com propriedades auto-aglutinantes ou outrasdesejadas. A temperatura do material deixando o tanquesecador estará tipicamente na faixa de cerca de 66°C acerca de 232°C, e preferivelmente entre cerca de 93°C ecerca de 17 7°C. Em algumas operações, a temperatura desaída do material do tanque secador deve ser pelo menoscerca de 79°C e preferivelmente pelo menos cerca de 93°C.
Como aqui usado, a expressão "material convertido" éutilizada para se referir e significar a matéria-prima comalto conteúdo de água secada que é produzida no tanquesecador pela redução do conteúdo de umidade da matéria-prima com alto conteúdo de água de um nível existente paraum nível mais baixo, de acordo com esta invenção, e/ouobter as alterações químicas e conversões aqui referidas. 0"material convertido" é considerado um produtointermediário, apropriado ao processamento em um produtofinal adequado ao uso do consumidor, comercial ouindustrial. Tipicamente, o material convertido do tanquesecador será processado por moagem para produzir um pó oufarinha grossa, seguido de granulação, peletização, ouagregação do pó ou farinha grossa, ou para formar flocos ououtras formas do produto final adequadas para o manuseio,embalagem e/ou transporte convencionais. 0 materialconvertido pode ser de outro modo moído ou pulverizado etransformado em uma pasta semifluida, ou outro líquido ouproduto capaz de ser bombeado que possa ser reciclado ouutilizado quando necessário. A economia local teráinfluência na determinação do uso final do materialproduzido do tanque secador ou do produto finalconfeccionado pelo sistema desta invenção e se o materialdo tanque secador será objeto de processamento adicional.
Como utilizado aqui, os termos "grânulo", "granulação"e semelhantes referem-se a qualquer forma granular domaterial ou produto confeccionado por esta invenção,incluindo grânulos, pó, poeira, farelo e assemelhadosconvencionais, produzidos por processos de granulação eequipamento convencionais, incluindo o trituramento ouesfarelamento de péletes ou aglomerados previamenteformados. Os termos "pélete", "peletização" e assemelhadosreferem-se a qualquer forma de pélete dos materiais ouprodutos feitos por esta invenção, incluindo os formatoscilíndrico, de projétil, esférico, ou outros feitostipicamente por processos e equipamentos convencionais depeletização, tal como pela extrusão de uma mistura rala oupasta, e cortando, retalhando ou quebrando o extrudado notamanho desejado. Os termos "aglomerado", "aglomeração" eassemelhados referem-se a qualquer forma de aglomerado dosmateriais ou produtos confeccionados por esta invençãofeitos por processos e equipamento de aglomeraçãoconvencionais, incluindo torres de borrifo, processos desecagem de congelamento, etc. Os termos "flocos" e "chips"e assemelhados referem-se a qualquer forma de produtos comoflocos de cereais, batatas fritas, cereais de milho eassemelhados. Outras formas de produtos de alimentação(humana, de animais de estimação ou de criação) incluemempanados convencionais, produtos moldados, como estrelas,etc., e assemelhados.
Um peletizador de extrusão é uma das unidades deprocesso preferidas para uso em conexão ou como parte destainvenção, porque ela tira vantagem das propriedades auto-aglutinantes do material produzido no tanque secador eporque pode ser operada sob condições de temperatura epressão que podem proporcionar ou contribuir também para o"cozimento" do material para produzir as propriedades auto-aglutinantes básicas e/ou aprimoradas do produto destainvenção. Em uma operação típica, o material do tanquesecador é moldo, e o pó ou farinha grossa da unidade demoagem pode ser misturado com vapor ou água, por exemplo,vapor ou vapor de água condensado do tanque secador,suficiente para formar material que é extrudável em altapressão e temperatura para fazer péletes ou outras formas.O aquecimento e as temperaturas obtidas no peletizador deextrusão podem ser de transportadores de rosca sem fim,moldes ou tambores aquecidos, ou podem ser da energia dacompressão em alta pressão. Em ambos os casos, o materialextrudável é aquecido a uma alta temperatura no processo.
Acredita-se que, para algumas matérias-primas com altoconteúdo de água, a alta temperatura e pressão nopeletizador de extrusão pode também "cozer" ou convertercertos componentes no material, proporcionando oucontribuindo para propriedades auto-aglutinantes adicionaisou melhoradas do produto peletizado, granulado ouaglutinado resultante. Condições de operação típicas paratal peletizador de extrusão resultarão em um materialextrudável possuindo conteúdo de umidade de até cerca de20% do peso, ou maior, dependendo do equipamento deextrusão empregado. As temperaturas e pressão de extrusãoserão aquelas normalmente usadas em equipamentoconvencional de extrusão. Obviamente, outras condições deoperação podem ser empregadas dependendo da matéria-primacom alto conteúdo de água sendo processada e daspropriedades desejadas do produto acabado. As péletesproduzidas podem ser secadas para reduzir o conteúdo deumidade a um nível adequado para o armazenamento estável doproduto, por exemplo, cerca de 10% em peso. A umidaderemovida a este ponto no processo pode ser reciclada parauso em outras etapas e processos dos sistemas destainvenção, como apresentado aqui.
A matéria-prima com alto conteúdo de água deverá ter,tipicamente, um conteúdo de umidade entre cerca de 50% ecerca de 90% em peso, preferivelmente entre cerca de 60% ecerca de 8 0% em peso, e mais preferivelmente entre cerca de65% e cerca de 75% em peso (percentual em peso, como aquiutilizado, é em referência ao percentual do componente emquestão baseado no peso total da mistura referida), emboranesta invenção possa ser processada matéria-prima com altoconteúdo de água de baixo conteúdo de umidade, por exemplo,tão baixa quanto cerca de 40% em peso, ou mesmo 30% empeso. A matéria-prima com alto conteúdo de água preferidatem um teor de umidade pelo menos cerca de 50% em peso,mais preferivelmente pelo menos cerca de 60% e ainda maispreferivelmente pelo menos cerca de 70% em peso. Quando amatéria-prima com alto conteúdo de água tem um altoconteúdo de umidade nesta faixa, são obtidas vantagens deprocessamento da, basicamente, instantânea produção devapor e vapor superaquecido na entrada do tanque secador,onde os gases de exaustão a 537°C contatam a alta umidadeda matéria-prima com alto conteúdo de água em pressãoatmosférica ou subatmosférica. O vapor e o vaporsuperaquecido assim produzidos contribuem para a secagem,cozimento e conversão das partículas adjacentes oupróximas, do fluxo de descida da matéria-prima com altoconteúdo de água, o que amplia a eficiência do processo. Épreferível à operação do processo e aparelho desta invençãoque a matéria-prima com alto conteúdo de água sejamisturada e combinada entre lotes ou partes diferentes(superior, inferior, internas, externas, etc.) dos mesmoslotes para proporcionar uma uniformidade de propriedades damatéria-prima com alto conteúdo de água. Esta preparaçãopreferida permite a produção de um material mais uniformedo tanque secador e simplifica o controle das operações doprocesso. A temperatura da matéria-prima com alto conteúdode água será tipicamente ambiental, isto é, na faixa decerca de -1°C a cerca de 38°C, mas pode ser menor que -1°C,ficando estabelecido que quaisquer aglomerações congeladasnão interferem com a preparação da matéria-prima ou aoperação do tanque secador e do equipamento alimentador dematéria-prima. A matéria-prima com alto conteúdo de águapode ser usada diretamente de uma instalação fabril ou deuma unidade do processo a qualquer temperatura, que podeser uma temperatura elevada. As economias dos sistemasdesta invenção são usualmente aumentadas se a matéria-primacom alto conteúdo de água estiver a uma temperatura elevadaou for pré-aquecida antes da introdução no tanque secador.Se for empregado este pré-aquecimento de matéria-prima,isto pode ser feito de qualquer forma desejada, tal comotrocador de calor, aquecimento solar, transportadores outransportadores de rosca sem-fim aquecidos, ou placas deconcreto aquecidas na plataforma e na área de preparação dematéria-prima, e pode ser feito com calor recuperado ereciclado dos sistemas de processo desta invenção.
O tempo de contato entre os gases de exaustão daturbina e a matéria-prima com alto conteúdo de água serádeterminado por diversas variáveis incluindo o conteúdo deumidade da matéria-prima, o conteúdo de umidade desejado nomaterial produzido no tanque secador, a desejadaalteração/conversão química, o volume e a temperatura dosgases de exaustão entrando no tanque secador, e outrosfatores. 0 tempo de contato será regulado para proporcionarnão apenas a secagem desejada, mas também elevar aspartículas de matéria-prima com alto conteúdo de água atemperaturas suficientemente altas para converter de modosuficiente componentes presentes na matéria-prima quandotal conversão é desejada, e/ou confeccionar um produtoauto-aglutinante quando requerido. Não é importantedeterminar a temperatura real alcançada pelas partículas,contanto que sejam obtidos os níveis requeridos dedestruição e conversão dos ditos componentes, o nívelrequerido de auto-aglutinação, ou outras propriedadesdesejadas. O tempo de contato desejado pode ser variado eregulado pelo volume e dimensões do tanque secador e pelosvolumes de passagem da matéria-prima e gases de exaustão. Atransferência de calor dos gases de exaustão para amatéria-prima, e, conseqüentemente, a temperatura para aqual a matéria-prima é aquecida, será principalmente umafunção da relação da massa do gás de exaustão e da matéria-prima. Um exemplo da operação do tanque secador com umgerador de turbina a gás é o gerador Rolls Royce Allison501 -KB5 (capacidade de 3,9 MW), tendo uma produção de gásde exaustão de cerca de 55.339,2 Kg/hr, a 537°C, econectada a um secador tubular rotativo modelo AST 8424, daScott Equipment Company, New Prague, Minnesota, EstadosUnidos da América, com um volume interno de cerca de 2 6metros cúbicos (m3). A matéria-prima com alto conteúdo deágua é material de partículas em tamanho pequeno, tendo umconteúdo de umidade de cerca de 70% em peso e umatemperatura de cerca de 18°C, e é alimentada no tanquesecador a uma velocidade de cerca de 6.500 Kg/hr, o quesignifica cerca de 10 m3/hr (cerca de 16.200 lb/hr) paraproporcionar uma média ou tempo nominal de permanência dossólidos no tanque secador de cerca de 10 a cerca de 18minutos e uma relação de peso de gases de exaustão paramatéria-prima com alto conteúdo de água de cerca de 7,5. Aprodução do tanque secador é em torno de 93°C. A relação depeso de gás de exaustão com matéria-prima será geralmenteentre cerca de 15:1 e cerca de 1:1, preferivelmente entrecerca de 10:1 e cerca de 3:1, e mais pref erivelmente entrecerca de 8:1 e cerca de 4:1. A necessidade de calor poderequerer uma relação de pelo menos cerca de 20:1 ou pelomenos cerca de 25:1 ou maior, onde a matéria-prima éesfriada com um conteúdo muito alto de umidade e o gás deexaustão não está a uma temperatura alta ou máxima. O fluxode gás de exaustão e a matéria-prima com alto conteúdo deágua fluindo através do tanque podem ser concorrentes,contracorrentes, estágio único, estágio múltiplo, etc.,dependendo dos resultados desejados e de consideraçõeseconômicas.
A produção do tanque de exaustão compreende vapor,vapor de água, gases de combustão de turbina a gás esólidos que são secados e/ou tratados termicamente econvertidos em formas desejadas. Temperaturas típicas desaída dos gases e/ou sólidos do tanque secador alcançarão,normalmente, de cerca de 93°C a cerca de 177°C, porémtemperaturas mais baixas ou mais altas podem serselecionadas e/ou requeridas por razões de economia,qualidade do produto e/ou eficiência do processo. Astemperaturas de saída podem ser de pelo menos cerca de 4 3°Ca pelo menos cerca de 260°C, preferivelmente pelo menoscerca de 82°C, e mais preferivelmente pelo menos cerca de260°C. É geralmente desejado que os materiais sólidosdeixando o tanque secador tenham em geral um conteúdo deumidade entre cerca de 10% e cerca de 15% em peso, maspodem variar cerca de 5% a cerca de 25% em peso. Novamente,o conteúdo de umidade mais baixo ou mais alto dos sólidosde produção do tanque secador pode ser selecionado e/oudesejado por razões similares. 0 vapor, vapor de água, egases de combustão deixando o tanque secador serão,normalmente, direcionados através de trocadores de calor(para a recuperação do calor do processo aproveitável nofluxo de descida nas operações de granulação oupeletização, ou no fluxo de subida, na matéria-prima ou nopré-aquecimento do ar de entrada da turbina), condensadores(para recuperação da água tratada para uso no fluxo desubida ou de descida, na agricultura ou para eliminação) ,purificadores, filtros ou ciclones (para recuperar sólidosarrastados em gases ou líquidos e processar gases elíquidos cuja liberação é aceita ambientalmente) e outrosequipamentos de processo convencional.
A produção de sólidos do tanque secador, referidosaqui como material convertido, são, tipicamente,processados ainda por moagem, granulação, peletização,agregação, esfoliação, ou outros processamentos paraproduzir uma alimentação final, combustível, reciclados ououtro produto na forma desejada para embalagem oudistribuição a granel, transporte e uso. Tais equipamentose operações de moagem, granulação, peletização ou agregaçãoutilizáveis nesta invenção são aqueles convencionais e bemconhecidos, uma vez que a produção do tanque secadorcompreende componentes sólidos e vapor que levam por si atal processamento. Qualquer que seja o produto em qualquerforma, o processo, sistema e equipamento desta invençãoproporcionam processamento econômica e ambientalmenteefetivo das matérias-primas com alto conteúdo de água pararetirá-las conforme obrigações ambientais e proporcionarprodutos que sejam utilizáveis comercialmente, e paraeliminar o descarte em uma rede de esgotos municipal ouaterro sanitário. Esta invenção pode ser usada paraproporcionar uma variedade de produtos e materiais a partirde matérias-primas com alto conteúdo de água, mas osmateriais e produtos preferidos são aqueles que não possuemcomponentes indesejáveis significantes remanescentes, quenão tenham sido convertidos ou destruídos no aquecimento,alteração química e/ou tratamento secador no tanquesecador, ou em outras operações. Os produtos e materiaisproduzidos por esta invenção são preferencialmentealimentos, combustível, material reciclável ou outrosprodutos utilizáveis, mas esta invenção é também útil naprodução de sólidos de volume reduzido para descarte ematerro sanitário, com a vantagem de proporcionar sólidoscom baixos níveis, ou nenhuma quantidade, de componentesnocivos para se infiltrarem do aterro sanitário em águas desuperfície ou subterrâneas.
Os produtos e materiais confeccionados por estainvenção são utilizáveis e incluem combinações com outrosmateriais, produtos ou substâncias químicas, enquanto podemser desejados para usos em fins específicos, requerendopropriedades ou características específicas. Tais outrosmateriais e aditivos podem ser adicionados combinados emqualquer ponto apropriado do processo, combinados com amatéria-prima com alto conteúdo de água, adicionados aotanque secador, adicionados à água tratada em qualquerponto, adicionados ao material deixando o tanque secador,adicionados como parte de qualquer moagem, granulação,peletização, esfoliação ou outro processamento, ousimplesmente misturados com o produto final ou com elescombinados antes de ensacar ou embalar, ou no local do uso.Por exemplo, os produtos finais, enquanto usualmente livresde odor, podem ser combinados com outros que podemproporcionar ou um odor agradável ou a condimentaçãodesejada, como é bem conhecido na indústria deprocessamento de alimentos.
Os sistemas desta invenção incluem configurações quepodem ser usadas para reduzir e, em algumas operações,basicamente eliminar a emissão na atmosfera de odoresnocivos e gases de efeito estufa de instalações fabris,referidos aqui como emissões "poluentes de ar perigosas"(HAP). As operações de fabricação se encontram sobcrescente regulamentação por agências federais e estatais,em razão da crescente pressão de áreas populosas perto dasoperações fabris. A regulamentação é dirigida para doisaspectos de qualidade do ar. 0 primeiro aspecto são odoresnocivos nos gases de emissões de HAP, que contêm compostosquímicos com o odor agressivo de enxofre e muitos outroscomponentes orgânicos que possuem odores ofensivos e quesão passíveis de objeção em comunidades residenciais. 0segundo aspecto são os compostos orgânicos voláteis (VOCs)e emissões de gases de efeito estufa (GHG) que sãoprejudiciais à qualidade do ar e podem ou não ser nocivos.
Gases de efeito estufa incluem CO2, CH4, N2O e sãousualmente referidos em termos de efeito equivalente de CO2na atmosfera. Metano (comumente liberado de instalações deprocessamento) tem um fator equivalente de CO2 de cerca de23 (como usado pelo USDOE) o que significa que 1 Kg de CH4liberado na atmosfera é equivalente a 23 Kg de CO2 (algumasfontes dão o fator equivalente como cerca de 21). Enquantoo CH4 é um gás de efeito estufa produzido em muitasoperações de bioconversão, os gases CO2 e NOx são tambémproduzidos. É particularmente desejado prevenir a liberaçãode NOx, porque se estima que tem um equivalente de CO2 decerca de 310. 0 etanol é um VOC produzido em muitasinstalações incluindo usinas de etanol (produção de etanolpara combustível aditivo à gasolina), vinícolas,destilarias, padarias, e outras manufaturas de biomaterialutilizando processos de fermentação. Esta invenção pode serusada, como apresentada aqui, para basicamente eliminar aliberação na atmosfera de emissões HAP através da suacontenção e processamento, isoladas ou preferivelmentejunto com o processamento da matéria-prima com altoconteúdo de água para confeccionar produtos.
Os sistemas desta invenção são utilizáveis, de modoparticular, eliminando essencialmente a liberação deemissão de HAP de operações de fabricação. No sistemabásico desta invenção, é empregada uma turbina a gás paracontrolar as emissões de HAP produzidas em uma operação defabricação, com a entrada de ar de combustão da turbina agás conectada ao sistema de instalação de fabricaçãoproduzindo ou expelindo as emissões de HAP, de modo que asemissões de HAP são dirigidas para dentro da entrada de arde combustão da turbina a gás, onde um, e opcionalmentedois processos, será executado normalmente. Primeiro, osgases de emissão são queimados juntos com o suprimento decombustível regular da turbina a gás, convertendo destaforma o CH4 para H2O e CO2 e convertendo os compostosquímicos com odor agressivo de enxofre e outros componentesnocivos ou cáusticos para H2O, CO2, NOx e SOx. Segundo,quando um tanque secador opcional é conectado à exaustão daturbina a gás, os gases de exaustão da turbina a gás entramem contato com uma matéria-prima com alto conteúdo de água,onde o NOx e SOx e, em alguma extensão, gases COx, sãoabsorvidos dentro ou misturados com a matéria-prima comalto conteúdo de água quando ela é secada e/ou tratadatermicamente para formar um material convertido ou umproduto final. Este aspecto desta invenção evita que asemissões de HAP penetrem na atmosfera.
Instalações de fabricação existentes podem, de modoimediato, direta e eficientemente utilizar esta invençãopara controlar as emissões de HAP através da instalação deuma turbina a gás, preferivelmente um gerador de turbina agás, uma unidade móvel ou permanente, e conectar pelo menosalguma, preferivelmente toda(s), fonte(s) de emissão de HAPda instalação na entrada de ar de combustão da turbina.Instalações que são envolvidas e ventiladas com entradas dear fresco e saídas de ar de exaustão, particularmenteaquelas que têm ambiente controlado por aquecimento ou arcondicionado, podem se beneficiar de modo idêntico destainvenção onde tal ar de ventilação possui emissões HAPpresentes nelas porque pelo menos uma parte, epreferivelmente todo o ar de exaustão de ventilação, podeser direcionada para dentro da entrada de ar de combustãoda turbina a gás. Em adição, instalações podem serenvolvidas de modo econômico (Por exemplo, por paredes delona) e ventiladas com ar forçado (com ou sem controle declima) para coletar basicamente todas as emissões de HAP daoperação de fabricação e direcionar o ar de ventilação paradentro da entrada de ar de combustão da turbina a gás.
Naturalmente, é também preferido que a instalação tenha atotal vantagem econômica e o benefício desta invençãoincluindo com o gerador de turbina a gás um tanque secadorpara desidratação e remoção de água em fluxos de processoapropriado ou etapas de fabricação na instalação, como aquiapresentado.
Ao utilizar este aspecto desta invenção, deverá seradmitido que ele é operado pref erivelmente de modo a quetodas as fontes de emissões de HAP e/ou o ar ventiladoretirado da instalação de fabricação são alimentadas naentrada de ar de combustão da turbina a gás, para prevenira liberação de emissões de HAP para a atmosfera. Qualquerar de combustão remanescente necessário à turbina a gásserá obtido do ar ambiente através de um filtro de arconvencional, embora seja também preferido que as fontes deemissões de HAP e o ar ventilado da instalação tambémpassem através do filtro de ar de entrada da turbina a gás,para prevenir danos ou erosão dos componentes da turbinapela poeira ou outras partículas arrastadas. Os sólidoscoletados no filtro de ar podem ser alimentados no tanquesecador ou em outras unidades de processo no sistema, paraincorporação ao produto final fabricado pelos sistemasdesta invenção. Embora o metano, ou outros gases oxidáveisnos gases de emissão, não se constitua normalmente em umaporção significativa dos requisitos de combustível dosistema desta invenção, ele é queimado para produzir calore não é liberado na atmosfera. No entanto, cada quilogramade gás de emissão queimado reduz a exigência externa decombustível de turbina a gás em um quilograma equivalente.Deverá ser admitido que um dos principais benefícios aomeio ambiente proporcionado por esta invenção é a conversãode componentes de emissão de HAP, incluindo tais VOC's,como metano, etanol, metiletilhetone e semelhantes, que sãomuito prejudiciais à atmosfera, para C02 e outros compostosque têm impacto mínimo na atmosfera. Em adição, quando osaspectos preferenciais desta invenção são empregadosutilizando a remoção de água, os processos de desidrataçãoe o aparelho desta invenção, o contato dos gases deexaustão da turbina a gás com a matéria-prima com altoconteúdo de água absorverá ou "purificará" pelo menos umaparte de NOx, SOx e Cox e outros compostos resultantes daconversão das emissões de HAP na combustão da turbina a gásdos gases de exaustão, e reterá esses compostos na águaremovida ou no fluxo resultante contendo os sólidos damatéria-prima, prevenindo deste modo esses compostosresultantes de serem lançados na atmosfera. Em qualquercaso, esses aspectos desta invenção podem ser colocados emfuncionamento de modo que basicamente todas as emissões deHAP são destruídas, como será evidente para aquelesversados na técnica seguindo as exposições aqui contidas.
Deverá também ser admitido que, enquanto a descriçãoacima está em termos de utilização de um gás de turbina, amesma utilização deste aspecto desta invenção paracontrolar emissões de HAP pode ser feita usando qualquerfonte de calor que seja selecionada para uso no sistema. Sea fonte de calor é um gás de turbina, gerador de turbina agás, motor de movimento alternado a gás ou diesel, ou mesmoum queimador de óleo ou gás (como 107 na Figura 1) , aexaustão do ar de ventilação da instalação fabril e/ou dofluxo de emissões de HAP ou da ventilação pode serdirecionada para dentro da entrada de ar de combustão demodo que as emissões de HAP são queimadas e preferivelmenteapenas os gases de combustão entrem em contato com amatéria-prima com alto conteúdo de água.
Como exposição adicional e ilustração dos processos,sistemas e equipamento desta invenção, é feita umareferência ao diagrama de fluxo esquemático da Figura 1. Noprocesso de exemplificação ilustrado, a unidade gerador deturbina a gás 100 compreende a turbina a gás 101 e ogerador elétrico 102. A turbina a gás tem um filtro deentrada de ar 104 e alimentação de combustível 103. Sedesejado, pode ser incluído um desvio opcional de exaustãodo silencioso 106 para partida, desligamento e condições derecalque durante aqueles períodos em que o gás da turbinaestá fluindo mas os gases de exaustão não podem serdirigidos para dentro do tanque secador. De qualquer forma,o tanque secador 200 funcionará como silencioso na operaçãonormal do sistema desta invenção. De modo alternativo, emlugar do silencioso 106, o desvio do gás de exaustão (ver908 na Figura 5) em torno do tanque secador pode serdirigido para qualquer unidade de fluxo de descidaapropriada, tal como um separador 208 e/ou separador 600,que pode proporcionar uma função temporária de silencioso.
Este arranjo elimina o custo de um silencioso separado e oespaço requerido para ele, o que é uma consideraçãoimportante para os sistemas móveis montados em caminhão. Oexaustor da turbina a gás 101 é conectado ao tanque secador200 pelo conector 105. Pode ser incluída uma entradaopcional de ar (não mostrada) para o tanque secador 200 noconector 105 ou em outro lugar, para purgar o tanquesecador ou o sistema para partida ou desligamento ou devidoa outras razões, particularmente quando, ou os gases deexaustão, ou a matéria-prima com alto conteúdo de água nãoestá presente no tanque secador 200. No entanto, quandoambos estão presentes, qualquer entrada de ar semelhante éfechada e não utilizada, de modo a eliminar principalmentea introdução de ar no tanque secador e eliminar asignificativa oxidação dos materiais sendo processados notanque secador 200. Pode também ser incluído um queimadoropcional 107 para proporcionar uma fonte de calorsuplementar e gases de combustão para o tanque secador, oque pode ser proporcionado para entrada no conector 105 ouem outro lugar. A fonte de calor suplementar opcional podeser utilizável durante a partida, desligamento, no processode recalque, pane de turbina, ou para manter uma passagemdesejada quando é encontrada uma carga máxima ou matéria-prima com extraordinariamente alto conteúdo de água.
A matéria-prima com alto conteúdo de água étipicamente introduzida no sistema por meios mecânicos,tais como bomba, transportador de rosca sem fim, ou o quefor apropriado para uma matéria-prima específica. Nestailustração e exemplo, uma carregadeira de pá frontal 201faz cair uma matéria-prima com alto conteúdo de água,sólida, em uma unidade 202 separadora de pedras,misturadora, cortadora, etc. A matéria-prima pode aindaser misturada e objetos estranhos separados emtransportadores de rosca sem fim 203, 204 e entãoalimentada para o tanque secador 200 através 215. Amatéria-prima também pode ser pré-misturada ou condicionadapara uma uniformidade requerida antes do carregamento nestesistema pelo carregador 2 01, por exemplo, em pilhas dearmazenamento que podem ser combinadas e misturadas. Emoutras operações, a matéria-prima com alto conteúdo de águaque está ou em líquido ou em pasta, ou não contém objetosestranhos que necessitem ser removidos, pode ser alimentadadiretamente no tanque secador 200 através da entrada 215.
A produção do tanque secador 200 é transferida peloscondutos 205, 206 para o separador 208, onde os sólidos eos gases são separados. Os gases passam através 209 e daventoinha 210 para a atmosfera através 211 ou outra via deprocessamento do fluxo de descida 212. A ventoinha 210 podeser operada para diminuir a pressão no separador 208 e notanque secador 2 00, o que reduzirá o ponto de ebulição daágua no tanque secador 200, reduzirá a pressão de retornono exaustor da turbina e aumentará a produção e eficiênciada turbina. Alternativamente, a ventoinha 210 pode seroperada para manter a pressão aumentada no tanque secadorpara tratamento por temperatura mais alta, conversão, ou"cozimento" da matéria-prima com alto conteúdo de água. Aprodução do tanque secador 200 pode passar através dotrocador de calor opcional 207 para recuperação do calor doprocesso para uso no fluxo de descida, ou no pré-aquecimento da matéria-prima com alto conteúdo de água ouar de entrada da turbina. A produção de sólidos doseparador 208 passa por um moinho de bolas ou britador demartelo 300 através de conduto, transportador outransportador de rosca sem fim 301 e misturadores econdicionadores opcionais 302 e 303. Em adição, sólidosreciclados, tal com moinha, do circuito de reciclagem 3 05,podem ser misturados em 303 através de 304, para seremcombinados na alimentação do moinho de bolas ou britador demartelo 300. A moinha e o material fora de especificaçõesgerados em diversos pontos no sistema podem ser coletados ereciclados no circuito 305 e reintroduzidos no sistema deprocessamento do produto em qualquer ponto desejado paraprocessamento adicional, tal como a unidade de moagem 300por intermédio de 304, a unidade de peletização 400 porintermédio de 404, ou mesmo a preparação da matéria-primacom alto conteúdo de água 202, 203, 204, ou outros pontos.Uma importante capacidade do sistema desta invenção é acompleta reciclagem por intermédio do circuito dereciclagem 305 de toda a moinha ou sólidos fora deespecificação de modo que eles sejam incorporadosfinalmente nos produtos finais. Assim, o sistema destainvenção proporciona 100% de conversão dos sólidos dematéria-prima com alto conteúdo de água (exceto para pedrasou outros objetos estranhos que não sejam processáveis) emprodutos finais e não gera um fluxo de sólidos nãoaproveitados que devem ser normalmente jogados fora, comoem um aterro sanitário, por exemplo.
O moinho de bolas ou britador de martelo 300 é usadoquando é necessário produzir um tamanho de partículapequeno uniforme, material de comprimento de fibra curtochamado "farinha grossa", que é adequado ao processamentona unidade de peletização 400 para fornecer um produto quetenha suficiente dureza, durabilidade mecânica eestabilidade para o processamento, embalagem earmazenamento convencional normalmente utilizado paraprodutos secos. A produção do moinho de bolas ou britadorde martelo 300 passa através do separador 310, onde sãoremovidos vapores, e enviada através 315 ao separador 600para a reciclagem de sólidos por intermédio do circuito dereciclagem 305 e o lançamento de vapores na atmosfera pelaventoinha 601 e suspiro 602. O separador 310 remove amoinha ou o material adequado à reciclagem por intermédiodo circuito de reciclagem 305 e passa a farinha grossa aomisturador 311. A farinha grossa é então enviada através de312 ao separador 401 e, ou dirigida ao peletizador 400através de 408, ou ao retentor ou silo pulsador 402 atravésde 409a e 409b para mistura com outros materiais, reciclarmateriais de 404, ou aditivos, ou para retenção no caso deprocesso de partida, desligamento ou recalque. Do silopulsador 402, a farinha grossa é enviada através domisturador 403 e, ou diretamente à unidade peletizadora 400através de 417 ou ao misturador 311 através de 412, paramistura com nova farinha grossa, quando desejado.
As péletes do peletizador 400 são passadas através áotrocador de calor, da unidade de remoção de vapor 405 e delá enviadas através de 406 e 414, ou à limpeza do produtofinal nas unidades 4 07 e 415 e transporte do produtoacabado, ou ao silo de armazenamento 500, através de 416a,416b, 501 e 503, ou enviadas através de 413 e silo pulsador410 a uma unidade esmigalhadora ou granuladora 411 e entãoàs unidades de limpeza do produto final 407 e 415. Oproduto final é carregado no caminhão 502 através de 501,503 ou através do silo de armazenamento 500, paratransporte ao mercado. A moinha e o produto fora deespecificação separados na unidade de limpeza final 415podem ser reciclados por reprocessamento através docircuito de reciclagem 305. A esmagadora ou granuladora 411converte as péletes em partículas menores ou na dimensão degrãos tendo principalmente a mesma dureza, durabilidademecânica e estabilidade das péletes. Os sólidos podem sertransportados entre as unidades de processamento destainvenção por transportadores de rosca sem fim, elevadores,correias transportadoras, transportadores de tubopneumático e semelhantes, como apropriado ao material e àsconsiderações ambientais. Como é evidente, o sistema podeser projetado e configurado para fabricar um material ouproduto do tanque secador 200 (que pode ser embalado parauso direto), farinha grossa da unidade de moagem 300 (quepode ser ensacada para processamento posterior ou usodireto) ou um produto em grãos, um produto de péletes ou umproduto de agregado de 415.
Um exemplo da operação do sistema de acordo com estainvenção pode ser visto na tabela que se segue. Esteexemplo está baseado no uso de um gerador de turbina a gásRolls Royce Allison 501-KB5 (capacidade de 3,9 MW) e ummodelo de secador AST 8424, de Scott Equipment Co.,processando matéria-prima com alto conteúdo de água naforma de uma pasta ou mistura pastosa para fabricar umproduto de alimentação de animal doméstico fonte deproteínas.
Exemplo de Sistema de Produto Acabado Dimensionadopara 2,5 Toneladas Métricas/Hora
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A Figura 2 ilustra uma configuração do sistema destainvenção na forma de unidades montadas em plano inclinado,em caminhão ou em vagão, que podem ser transportadas oucolocadas em funcionamento em locais de produção fabrilonde a matéria-prima com alto conteúdo de água é disponívelem base diária ou periódica e em base temporária oupermanente. A primeira unidade 700 compreende a turbina agás 101 e gerador 102. A segunda unidade 701 compreende otanque secador 200 e separador 208. O tanque secador 200tem a entrada de matéria-prima com alto conteúdo de água215 e está conectado ao exaustor da turbina a gás peloconector 105 quando estacionário ou em operação. A terceiraunidade 702 compreende o equipamento de processamentodesejado para uma operação específica, tal como o moinho debolas e peletizador. A produção de saída é transportada por501 às unidades de armazenamento 500 ou ao caminhão 502,para transporte ao mercado. O equipamento opcional podeincluir unidades para ensacamento ou outras embalagens doproduto final para diversos mercados.
A Figura 3 é uma ilustração das mesmas unidades daFigura 2, porém posicionadas no local de operação em umaconfiguração diferente. É evidente que as unidades móveisdesta invenção montadas em caminhões são adaptáveis a umavariedade de locais que podem ter limitações no espaçodisponível.
A Figura 4A é uma vista de planta e a Figura 4B é umavista em elevação de outra configuração móvel onde todas asunidades de operação são montadas em um único caminhãosemi-reboque 800a e 800b. O exaustor da unidade de turbinaa gás 100 está conectado ao tanque secador 200 peloconector 105. O tanque secador 200 tem a entrada dematéria-prima com alto conteúdo de água 215 e estáconectada ao separador 208 pelo conduto 206. O separador208 está conectado ao separador de vapor/limpador de ar 600pelo conduto 209 e o separador 600 lança à atmosfera pelosuspiro 602. A saída inferior do separador 208 estáconectada pelo conduto 301 à unidade de moagem de bolas300. A saída da unidade de moagem de bolas 300 é conectadapelo conduto 312 à unidade de peletização 400, a qual éconectada à unidade de limpeza de produto 415 pelo conduto414. A unidade de limpeza 415 tem a saída de produto 416.Não mostrada nas Figuras 2, 3 e 4, existe uma coberturaopcional para cada unidade montada em plano inclinado oumontada em caminhão para cobrir a unidade como um todo,para proteção contra o tempo e atenuação de ruído.
A Figura 5 é um fluxograma de processo esquemático dealguns dos sistemas opcionais desta invenção. A instalaçãofabril 900 inclui uma operação 901 envolvendo uma matéria-prima com alto conteúdo de água e incluindo a entrada de arfresco 902 para processamento e/ou uso na ventilação. 0fluxo 903 são as emissões HAP e/ou ar de ventilação que éalimentado para a turbina a gás 101 como parte daalimentação de ar de combustão 9 04 através do filtro de ar104. A seção de alto conteúdo de água 901 pode estar dentroda mesma área delimitada da instalação, ou podem sertanques de contenção separados, ou outras áreas que sãofechadas, tal que quaisquer vapores de HAP expulsos pelamatéria-prima podem ser contidos e passados à turbina a gás101 com a instalação de emissões HAP e/ou a entrada de arde ventilação 903 para combustão junto com o combustível daturbina a gás convencional 103, tal como gás naturaldisponível localmente. Esta configuração desta invençãopode impedir de serem liberadas para a atmosfera asemissões de HAP de todas as operações de fabricação em umainstalação. Não apenas isto proporciona a oportunidade douso comercial desta invenção na obtenção de créditos dequalidade de ar em razão de emissões reduzidas de gases deefeito estufa, como também proporciona operações fabris deum modo que torna aceitável a proximidade de áreasresidenciais vizinhas, porque todas as emissões de HAPpodem ser contidas dentro do sistema e convertidas acomponentes que não são nocivos ou ácidos antes dolançamento à atmosfera.
0 gerador de turbina a gás 101/102 produz a energiaelétrica 905, a qual pode, ou ser vendida à empresa deenergia elétrica local 906 ou distribuída através 907 parauso na operação de fabricação ou nas unidades deprocessamento desta invenção. Algumas instalações defabricação irão perceber que o custo de envolver umainstalação fabril aberta e instalar e operar uma ventilaçãode modo a conter e processar todas as emissões de HAPatravés de 903 pode ser pelo menos parcialmente, quando nãosubstancialmente, compensado pelo uso da eletricidade 905na operação do sistema de ventilação. Por exemplo, pode serexeqüível, ou necessário em algumas instâncias em razão deregulamentação governamental, cobrir uma instalação defabricação normalmente aberta com tendas infláveis,similares àquelas usadas em quadras de tênis, paraproporcionar sistemas econômicos via contenção e coleta detodas as emissões de HAP de tal instalação, de modo queesses gases possam ser processados através 903 de acordocom esta invenção. A economia de cada operação comercial,custos de combustível, preço de venda/preço de compra deeletricidade e o custo de investimento em equipamentodeterminarão se a eletricidade será usada internamente nainstalação de fabricação, vendida à empresa de energiaelétrica, usada nos sistemas desta invenção, ou usada emoutras instalações próximas, ou em qualquer combinaçãodestas opções.
Os gases de exaustão da turbina a gás 101 são passadosao tanque secador 200 por uma conexão 105, que impede o arexterno de entrar no secador. Como aqui apresentado, osistema é operado de modo que a oxidação da matéria-primacom alto conteúdo de água no vaso secador 200 e em outrolugar no sistema é minimizada e substancialmente evitada. Otanque secador 200 também serve como um silencioso para aturbina a gás. Pode ser proporcionado um desvio opcional908 de modo que os gases de exaustão podem ser enviadospara o equipamento do fluxo de descida, tais como osseparadores/condensadores 208, para silenciar a exaustão daturbina a gás quando o tanque secador está desconectado epara limpar os gases de exaustão antes de serem lançados naatmosfera durante tal operação temporária. Este desvioelimina o custo de ter um silencioso separado parasatisfazer restrições de ruído na turbina a gás quando otanque secador está desconectado e proporciona um projetomais compacto para unidades móveis ou montadas em caminhão.
A matéria-prima com alto conteúdo de água 215 éalimentada no tanque secador 200 junto com os gases deexaustão da conexão 105 e qualquer calor auxiliarproporcionado por uma fonte de calor alternativa ouauxiliar 107. A matéria-prima com alto conteúdo de água,preferivelmente, vem diretamente da matéria-prima com altoconteúdo de água em 901 na instalação 900 tal que ela érecente e tem pouco, ou nenhum tempo, para bioconversão.
Outras fontes de matéria-prima com alto conteúdo de água910 podem ser usadas ou incluídas no sistema, tal comomatéria-prima estocada ou matéria-prima de outras operaçõestrazida para ser combinada ou misturada com a matéria-primada instalação imediata. Enquanto a invenção é ilustradaaqui com uma modalidade de tanque secador, será evidentepara aqueles versados na técnica que outras configurações eprojetos de operação desta invenção podem ser usados,dependendo das necessidades e configurações da instalaçãofabril empregando esta invenção. Por exemplo, umainstalação de papel, papelão ou de placas de gesso pode tera necessidade de remover água de uma mistura pastosa,tapete, ou laminado em uma correia transportadora em vez dedentro de um tanque secador por si. Em tal operação, osgases de exaustão da turbina a gás podem ser dirigidosatravés de condutos apropriados para contato direto com omaterial (aqui, matéria-prima) na correia, para se obter aremoção de água desejada, desidratação e/ou conversão domaterial como aqui apresentado. Em essência, em talconfiguração, a vedação total em torno da correia e da áreaonde os gases de exaustão da turbina entram em contato como material na correia torna-se o "tanque secador", parapropósitos de descrição desta invenção.
A produção do tanque secador 200 é enviada através 2 05aos separadores/condensadores projetados para separar ossólidos 912 para processamento posterior no fluxo dedescida, para condensar os vapores de água como águarecuperada 913 e para limpar os gases 914 lançados naatmosfera. A água recuperada pode ser usada no fluxo dedescida como água tratada, reciclada para o uso nainstalação fabril, para preparar ou condicionar a matéria-prima com alto conteúdo de água, usada para água tratadaindustrial, ou outros usos. A produção de sólidos 912 dasunidades separadoras 208 é normalmente adiante processadapor moagem, peletização, granulação, ensacamento, etc. Noentanto, os sólidos 912 podem ser usados como umintermediário para formar outros tipos de produtos. Porexemplo, o material seco pode ser embalado, moldado emformas, tornados pastosos para bombeamento, ou pode serusado isolado ou em combinação com outros materiais paraincineração, de modo a utilizar o valor do material comocombustível.
Em cada uma das operações de descida, o vapor de águapode ser recuperado e reciclado para osseparadores/condensadores 208, para reutilização. Como éevidente, os sistemas desta invenção são adaptáveis avárias configurações e vários projetos, dependendo dasnecessidades de processamento e da economia de operações defabricação específicas. Vários aspectos convencionais derecuperação de calor e de reciclagem, não mostrados naFigura 5, podem ser projetados na instalação comercial dosistema desta invenção utilizando técnicas comuns deengenharia de processo, incluindo o reciclador de moinha305 mostrado na Figura 1, o uso de fluxo de gás/vapor 914para diversas recuperações de calor e aplicações de pré-aquecimento, a inserção de aglutinantes, aditivos, emateriais de combinação em vários pontos desejados nosistema, resfriando o ar de combustão 904 e/ou a instalaçãode emissões de HAP 903, por exemplo, por pulverização deágua, para aumentar a eficiência e a potência de saída dasturbinas a gás, pré-aquecendo matéria-prima para desidratarmatéria-prima com muito alto conteúdo de água, etc., comoserá evidente àqueles versados na técnica seguindo aexposição aqui contida.
Como será evidente para aqueles versados na técnica,turbinas a gás múltiplas, outros motores e/ou câmaras decombustão, do mesmo ou de diferentes tipos e tamanhos,podem ser interconectados para alimentar múltiplos tanquessecadores de mesmos ou diferentes tipos e tamanhos, em umaúnica instalação. Isto pode ser feito não apenas paraproporcionar capacidade de processamento de matéria-prima,como também flexibilidade operacional ao processamento devários carregamentos de matéria-prima e executar amanutenção de equipamento sem desligar a operação.
Enquanto ilustramos e descrevemos diversas modalidadesdesta invenção, estas são apenas como meio de ilustração ediversas mudanças e modificações podem ser feitas dentro doprojeto desta invenção e dentro do objetivo dasreivindicações que se seguem.
Claims (15)
1. Método para tratamento de matéria-prima com altoconteúdo de água em uma instalação fabril caracterizadopelo fato de compreender:operar uma turbina a gás produzindo gases deexaustão;colocar em contato os gases de exaustão com amatéria-prima com alto conteúdo de água por um tempo decontato suficiente para produzir um material seco com umconteúdo de umidade menor que o da matéria-prima; econduzir as emissões de HAP produzidas nainstalação fabril para dentro da entrada de ar de combustãoda turbina a gás.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a turbina a gás compreendeum gerador de turbina a gás.
3. Método para controlar emissões de HAP de umainstalação fabril caracterizado pelo fato de compreender:operar uma turbina a gás; econduzir as emissões de HAP produzidas na instalaçãofabril para dentro da entrada de ar de combustão da turbinaa gás.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que a turbina a gás compreendeum gerador de turbina a gás.
5. Aparelho para tratamento de matéria-prima com altoconteúdo de água em uma instalação fabril caracterizadopelo fato de compreender:uma turbina a gás; eum tanque secador adaptado para receber os gases deexaustão da turbina a gás através de uma conexão e adaptadopara receber matéria-prima com alto conteúdo de água;no qual a conexão entre a turbina a gás e o tanquesecador é adaptada para eliminar substancialmente aintrodução de ar dentro do tanque secador.
6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que a turbina a gás compreendeum gerador de turbina a gás.
7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de compreender uma conexão paradirigir emissões de HAP produzidas na instalação fabrilpara dentro da entrada de ar de combustão da turbina a gás.
8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que a turbina a gás compreendeum gerador de turbina a gás.
9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que pode ser transportado de umainstalação fabril para outra.
10. Matéria-prima com alto conteúdo de água tratadatermicamente que contém componentes NOx, SOx, ou COx nelaabsorvidos ou complexados, provenientes do contato domaterial não aproveitado da matéria-prima com gases deexaustão de turbina a gás em um espaço confinado naausência de significativa oxidação da matéria-prima comalto conteúdo de água.
11. Material tratado termicamente, de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de estar na formade grânulos, péletes ou agregados adequados para manuseio,transporte ou uso convencionais.
12. Aparelho para processar emissões de HAP de umainstalação fabril caracterizado pelo fato de compreender:uma turbina a gás tendo uma entrada de ar decombustão; euma conexão entre o equipamento emissor de HAP e aentrada de ar de combustão para receber pelo menos umaparte das emissões de HAP para dentro da entrada de ar daturbina a gás.
13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de que a turbina a gás compreendeum gerador de turbina a gás.
14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de compreender uma conexão entre aexaustão de ventilação da instalação e a entrada de ar decombustão da turbina a gás.
15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de que a turbina a gás compreendeum gerador de turbina a gás.
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