BRPI0708721B1 - aparelho e método para controlar a composição gasosa produzida durante a gaseificação de alimentações contendo carbono - Google Patents

Abstract

aparelho e método para controlar a composição gasosa produzida durante a gaseificação de alimentações contendo carbono. método para controlar a composição de saí da de um dispositivo de gaseificação para uso na gaseificação de biomassa utilizando um gaseificador em que a biomassa e o gás, ambos fluem numa direção descendente. o método combina o uso de vapor e oxigênio como um fluxo de oxidação misto para controlar os processos que ocorrem dentro do gaseificador. os oxidantes são introduzidos no gaseificador utilizando numerosos anéis de injeção. cada anel de injeção compreende numerosos bocais injetores (28, 29) cada um radialmente distribuído na mesma altura vertical e possivelmente conectados a mesma fonte de suprimento. particularmente, resultados satisfatóúos podem ser alcançados pelo uso de três anéis de injeção, um no topo do gaseificador, um na interface da zona de oxidação e redução e um a uma pequena distância abaixo da montagem da grade (25). o gás de síntese produzido também contém concentrações extremamente baixas de alcatrão e hidrocarbonetos de baixo peso molecular.

Description

“APARELHO E MÉTODO PARA CONTROLAR A COMPOSIÇÃO GASOSA PRODUZIDA DURANTE A GASEIFICAÇÃO DE ALIMENTAÇÕES CONTENDO CARBONO” Campo da Invenção A presente invenção se refere a um método para produzir gás de síntese onde oxigênio ou ar em combinação com vapor é utilizado para gaseificar sólidos contendo carbono de uma maneira controlada. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um método para controlar a razão de hidrogênio e monóxido de carbono produzido no processo de gaseificação.

Fundamentos da Invenção O mundo comumente consome cerca de 83 milhões de barris de petróleo por dia. Este número é projetado pra alcançar cerca de 120 milhões de barris por dia em 2010. Estima-se também que a produção mundial de petróleo começará a cair em algum momento nos próximos30 anos. A crescente demanda e a queda da produção gerarão falta de petróleo.

Uma vez que esta situação é alcançada, onde o suprimento não pode atender a demanda de mercado, forças determinarão a elevação dos preços. Algumas estimativas indicam que o preço do petróleo pode dobrar a cada cinco anos após o ponto de pico de produção. O inevitável aumento do preço torna o uso de biomassa numa energia alternativa particularmente atraente. A abundância de biomassa é suficiente para compensar uma fração significativa das necessidades mundiais atuais de energia. A biomassa pode ser usada diretamente através da combustão para produzir calor e energia. Contudo, ainda existem problemas em relação a distribuição da biomassa, local de manipulação da biomassa e problemas da combustão tal como tempos longos de inicialização de tais sistemas. Um modo de evitar tais problemas é converter a biomassa em um combustível líquido. Esta estratégia apresenta também a tremenda vantagem de que a atual infra-estrutura de distribuição de combustível ainda pode ser utilizada. Combustíveis líquidos adequados incluem metanol, etanol, dimetiléter (DME) e “FT syncrude” (mistura líquida de hidrocarbonetos, semelhante ao petróleo, obtida a partir do gás de síntese pela reação catalítica de Fischer-Tropsch). A biomassa é convertida em combustível numa instalação central e o produto líquido é distribuído pela rede atual de distribuição de combustível. O processo mais comum para converter biomassa em combustí veis lí quidos consiste de duas etapas. Na primeira a biomassa é convertida numa mistura de monóddo de carbono e hidrogênio. O processo é chamado gaseificação e a mistura gasosa produzida é freqü entemente referida como “ Syngas” (gá s de síntese). A gaseificação da biomassa pode ser resumida como: CHmOo,6+ 0,2 02- CO+ 0,7 Ü2 (1) Contudo, um balanço energético através da equação 1 revela que os produtos contêm mais energia do que os reagentes, daí, parte da biomassa é queimada para compensar este desequilíbrio. A equação 1 ilustra como a razão típica entre monóddo de carbono e hidrogênio é pródma de 1:1.

No segundo está gio o monóddo de carbono e o hidrogênio são comprimidos e passam sobre um catalisador adequado. As reações que convertem o gá s de síntese em combustíveis líquidos são exotérmicas, tal que o reator em que o processo ocorre tem que possuir recursos para remover este calor de reação. As reações que produzem metanol, etanol, dimetiléter, e “ FT syncrude” são mostradas abaixo: 2H2+ CO CIUOH (2) 4H2+ 2CO —€fÈCH2OH+ H2O (3) 4H 2+ 2CO —CffeOCFb + H2O (4) 2nH2+ nCO n-CHa- + nH20 (5) E interessante notar que para todas as reações uma razão de 2:1 entre hidrogênio e monóddo de carbono é estequiometricamente requerida. Se o gá s de sí ntese produzido pela gaseificação direta (isto é, com uma razão entre CO e H2 pródma de 1:1) é utilizado diretamente, a reação não se processará na sua totalidade uma vez que o hidrogênio se tornará limitante. Na melhor das hipóeses isto resulta numa perda de rendimento; contudo, muitos dos catalisadores utilizados nas transformações são prováveis de sofrer deposição de carbono, resultando em redução da atividade. Para maximizar o rendimento do processo é importante que a razão hidrogênio e monóddo de carbono seja controlada para se equiparar a estequiometria do processo de liquefação. Um método em que isto pode ser completado é através da reação de conversão de gá s em á gua: co+ H20 ee>+ h2 (6) em que CO pode ser estequiometricamente intercambiado com H2. Esta estratégia foi utilizada com sucesso; contudo, a estratégia inevitavelmente leva a uma perda substancial de massa dos reagentes, uma vez que monckido de carbono com um peso de 28 g/mol é usado para produzir hidrogênio com um peso de 2 g/mol.

Numerosas patentes americanas foram direcionadas para equipamentos adequados à gaseificação de biomassa. A patente US No. 4583992 concedida para C.D. Rogers descreve um equipamento de gaseificação que consiste essencialmente de um gaseifícador descendente cilíndrico vertical no qual o material de gaseificação é sustentado sob uma grade rotatória. O equipamento de gaseificação é continuamente alimentado dentro do recipiente através de uma abertura situada no topo do equipamento. O ar de combustão é suprido através de uma tubulação central, que se inicia no topo do gaseifícador, e que apresenta saídas em vários locais dentro do leito. Esta tubulação central ainda continua através do leito e é conectado à grade. A tubulação central é girada para permitir meios de rotação da grade do leito. Através do controle da velocidade de rotação da grade, a fração de material existente no sistema na forma de carvão ativado é controlada. Rogers descreve um sistema adequado à gaseificação de biomassa e à produção de carvão, mas não ensina um método em que a composição do fluxo de saída pode ser controlada. A patente US No. 4306506 concedida para F. Rotter descreve um equipamento de gaseificação que consiste de um gaseifícador descendente cilíndrico vertical, em que a seção inferior tem uma construção de parede dupla. Os processos de gaseificação, que consistem de secagem, destilação, oxidação e redução ocorrem na seção interna. O fundo da seção de gaseificação compreende um cone, de modo que a velocidade superficial local é aumentada para auxiliar na transferência de calor e massa. Após passar através de uma grade, o gá s de síntese passa, numa direção vertical, através da coroa circular criada pela construção de parede dupla. Aqui, o calor é transferido do gás de síntese existente no sistema para os processos de gaseificação que ocorrem na seção interna, melhorando assim, a eficiência térmica do processo e evitando a necessidade de um dispositivo de troca de calor externo. O equipamento é projetado de modo que a seção interna é pendurada dentro da seção externa e assim podendo expandir termicamente como desejado. Esta disposição é dita evitar o aumento do estresse prejudicial dentro da estrutura. A patente concedida para Rotter ensina um design de um gaseificador descendente em que o calor é recuperado dentro do equipamento gaseifícador, mas, a patente não ensina um método em que ambos os oxigênio e vapor são introduzidos através de um sistema multi-injeção para controlar os processos que ocorrem dentro do gaseificador. A patente US No. 4929254 concedida para C.A. Kooiman se refere a um sistema de gaseificação para a produção de produtos combustíveis limpos a partir de material combustível sólido. O equipamento é um gaseificador descendente e consiste de equipamentos verticalmente orientados que apresentam uma porção ainda mais acima que compreende um distribuidor para a liberação da matéria-prima. Um dispositivo de travamento hermético é usado para separar o topo do gaseificador do distribuidor de alimentação. As câmaras verticais do gaseificador compreendem uma primeira câmara de secagem e câmaras de gaseificação intermediária e inferior. As câmaras são unidades modulares que se alinham verticalmente. As entradas de ar estão presentes na câmara intermediária através da qual o oxidante é introduzido. No íundo da câmara inferior, uma grade é situada para sustentar o leito. Uma saída é também situada dentro desta seção de fundo tal que o gás processado pode ser removido do equipamento. Kooiman também ensina numerosas operações externas, que consistem de extintores, depuradores e filtros que levam à produção de um gás de síntese limpo. A patente não ensina um sistema em que oxidantes e vapor são injetados abaixo do arranjo da grade para promover a oxidação e reformação de alcatrões e hidrocarbonetos inferiores. A patente US No. 4929254 concedida para S.L. Soo ensina um método para reformar o vapor de uma matéria-prima contendo carbono. No método, vapor em excesso é gerado num super-aquecedor compactado antes de entrar em contato com a alimentação contendo carbono. A patente ensina que pelo uso de vapor em excesso por um fator de 2-10, todo o calor de reação de gaseificação a vapor pode ser suprido pelo calor sensível contido no vapor. Além disso, a patente ensina que pelo controle cuidadoso da quantidade de vapor, a composição da razão entre monóxido de carbono e hidrogênio de saída pode ser controlada. Pelo uso de um grande excesso de vapor, um fluxo composto de 90% de hidrogênio pode ser produzido. A técnica é aplicável tanto a processos em batelada quanto contínuos. Contudo, a patente não ensina como pelo uso de combinações de vapor e oxigênio como oxidantes, a composição do gás de síntese pode ser controlada sem a necessidade de um grande excesso de vapor. O pedido de patente US No. 2004/0013605 depositado por Ramani et al. ensina um método para controlar a razão de monóxido de carbono e hidrogênio num gás de síntese pela reformação de hidrocarbonetos. A patente ensina um método onde duas matérias-primas são selecionadas, onde a primeira matéria-prima, sob reformação, fornece uma razão H2:CO maior do que desejada e a segunda matéria-prima, sob reformação, fornece uma razão H2:CO menor do que desejada. A patente ensina como a razão das duas matérias-primas pode ser calculada tal que a combinação de produtos forneça a razão desejada. A patente ensina que os combustíveis podem ser tanto combinados e reformados concomitantemente quanto a reformação realizada separadamente e os produtos das reformações combinados. A patente não ensina como a composição de um fluxo de gás de síntese produzido a partir de uma matéria-prima de biomassa pode ser controlada pela combinação de processos de oxidação e reformação de vapor.

Deste modo, uma característica da presente invenção é fornecer um método e aparelho para a gaseificação de biomassa em que a razão entre monóxido de carbono e hidrogênio no gás de saída seja controlada. O método utiliza uma combinação de oxigênio e água como oxidante. Os oxidantes são injetados em vários locais para controlar a extensão dos processos de oxidação e a reformação que ocorrem dentro do gaseificador.

Uma característica ainda da presente invenção é fornecer um design de um gaseificador descendente em que o gaseificador é separado numa seção superior e seção inferior por uma grade. A grade é usada para sustentar a biomassa tal que um leito é formado. Na seção superior, o oxigênio e o vapor são injetados dentro da biomassa para iniciar a secagem, destilação, redução e oxidação de biomassa e produtos de biomassa. Logo acima da grade, existe um leito de brasas, onde significativas reações de craqueamento térmico e reformação de vapor agem quebrando todo alcatrão produzido durante a piróliseda biomassa. Abaixo da grade um segundo conjunto de bocais injetores de oxidante estão presentes. A introdução de oxigênio e vapor promove uma segunda zona de reação que permite o ajuste da composição do gás de síntese e atua destruindo todo alcatrão e hidrocarbonetos inferiores, tais como metano, via uma segunda etapa oxidativa e de reformação. A técnica produz um gás de síntese que apresenta baixo alcatrão e metano e que maximiza o rendimento de monóxido de carbono e hidrogênio a partir da biomassa.

Resumo da Invenção A invenção fornece, numa realização de exemplo, um método para controlar a composição de saída de um dispositivo gaseificador. A invenção é particularmente relevante para a gaseificação de biomassa utilizando um gaseificador em que a biomassa e o gás tanto fluem ambos numa direção descendente. O método combina o uso de vapor e oxigênio como um fluxo de oxidação misto para controlar os processos que ocorrem dentro do gaseificador. Os oxidantes são introduzidos no gaseificador por vários anéis de injeção. Cada anel de injeção compreende um número de bocais injetores, cada um radialmente distribuído na mesma altura vertical e possivelmente conectados à mesma fonte de suprimento. Particularmente, resultados satisfatórios podem ser alcançados através do uso de três anéis de injeção, um no topo do gaseificador, um na interface da zona de oxidação e redução e um a uma pequena distância abaixo da montagem da grade. Pela escolha cuidadosa do tipo oxidante, da velocidade de fluxo e da localização da injeção, um gás de síntese pode ser produzido com uma razão COrfh controlável. O gás de síntese produzido também contém concentrações extremamente baixas de alcatrão e hidrocarbonetos de baixo peso molecular. O método pode ser aplicado a numerosos designs de gaseificadores e deste modo, os exemplos aqui estabelecidos, ilustram várias realizações de exemplo da invenção, mas não são construídas de maneira alguma, como limitantes do escopo da invenção.

Outras características e vantagens da presente invenção se tomarão aparentes com a leitura da descrição detalhada seguinte das realizações da invenção, quando tomadas em conjunto com as reivindicações anexas.

Breve Descrição dos Desenhos A invenção é ilustrada nos desenhos em que os mesmos caracteres de referência designam as mesmas partes ou similares em todas as figuras nas quais: A figura 1 é um gráfico que mostra como a mudança das razões entre oxigênio e água como oxidante afetam a natureza energética do processo e a eficiência da gaseificação; e, A figura 2 é uma vista esquemática de um exemplo de um gaseificador descendente da presente invenção com bocais injetares múltiplos localizados acima e abixo do compartimento da grade.

Descrição Detalhada das Realizações Preferidas Dois métodos comuns são ffeqüentemente empregados para gaseificar biomassa ou outros sólidos contendo carbono. No primeiro, a biomassa é parcialmente queimada com oxigênio, o calor da combustão age como combustível para as reações de reformação endotérmicas que agem quebrando o sólido restante para produzir o gás de síntese. No segundo, a biomassa é posta em contato com o vapor superaquecido. O vapor é tanto usado em excesso, tal que a energia requerida para as reações endotérmicas é provida pelo calor sensível contido no vapor quanto o processo é aquecido externamente. Para os processos que utilizam oxidação direta, o gás de síntese produzido tem uma razão CO:H2 de aproximadamente 1:1. Para sistemas que utilizam vapor como oxidante, os fluxos de gás de síntese que são muito ricos em hidrogênio são produzidos, o gás de síntese com CO:H2 tão alta quanto 1:9 tem sido alcançado. A figura 1 ilustra como o processo de gaseificação muda de natureza endotérmica em processo que utiliza alto vapor com baixo oxigênio para natureza exotérmica quando o vapor é reduzido e mais oxigênio é utilizado. Em todos os casos na figura 1 a troca energética líquida do processo é calculada para um fluxo de produto contendo CO para H2 na razão de 2:1. Como acima mencionado esta razão é a razão estequiométrica para numerosas reações importantes de produção líquida. Também é ilustrado na figura 1 como a eficiência de gaseificação é reduzida quando mais oxigênio é utilizado. Aqui, a eficiência da gaseificação é definida como a massa de gás de síntese produzida por massa de biomassa consumida. Todos os cálculos são baseados numa composição de biomassa de CHmOo.õ. A figura 1 ilustra como um processo que é exotérmico pode ser realizado através do uso de oxidantes mistos, daí, aliviando a necessidade de instalações maiores de vapor ou de aquecimento externo enquanto alcança altas eficiências de gaseificação, enquanto produz fluxos de gás de síntese com uma CO:H2 de 2:1.

Um esquema do gaseificador com injeções multi-oxidantes é mostrado na figura 2. O gaseificador compreende uma câmara de gaseificação superior (31) e uma câmara de reformação inferior (32) que são separadas por uma grade (25). A biomassa entra na câmara superior através da entrada (27) e é retida pela grade (25) para formar um leito. Numerosos métodos são adequados para alimentar o leito, mas não são mostrados na figura 2 de modo a não retirar a clareza da invenção. As câmaras superior e inferior podem ser isoladas com refratários adequados (23 e 24) que podem ser construídos no local a partir de sólidos refratários tais como tijolos ou serem de uma natureza de cimento. Isolamento externo também pode ser aplicado. O refratário é mantido no local por uma parede externa rígida (20 e 21). Dentro da câmara superior, a biomassa é posta em conato com os oxidantes supridos através dos bocais injetores (28 e 29). Inicialmente, o oxigênio reage com a biomassa para produzir uma zona de pirólise inflamável. Aqui, a biomassa é parcialmente queimada para produzir o calor requerido pelos processos de reformação endotérmicos. A biomassa experimenta gaseificação direta devido a ambos os oxigênio e vapor bem como etapas de pirólise e volatilização que podem produzir alcatrões e hidrocarbonetos de baixo peso molecular. Os produtos formados durante os estágios de pirólise então experimentam várias etapas de decomposição através de reações com vapor e oxigênio para produzir o monóxido de carbono e hidrogênio. O produto da biomassa desvolatilizada é uma brasa porosa rica em carbono que experimentará ainda as reações de oxidação e gaseificação. As reações das brasas de carvão são um pouco lentas e então estas brasas tendem a ser coletadas acima da grade, onde reagem até se tornarem pequenas o suficiente para passar através da grade. O leito de brasa possui um efeito benéfico sobre o processo de gaseificação, já que os produtos gasosos que passam da câmara superior para a inferior têm que passar através deste leito de brasa. Enquanto passa através do leito os gases são expostos a temperaturas relativamente altas que ainda instigam a decomposição de produtos de pesos moleculares mais altos em monóxido de carbono e hidrogênio.

Na presente invenção os gases passam numa segunda câmara (32) onde processos oxidativos e de reformação ainda ocorrem. Mais oxidante é adicionado nesta câmara inferior através de mais um conjunto de injetores (30). A temperatura local aqui pode ser controlada pela quantidade de oxigênio adicionado. Os componentes de alcatrões e hidrocarbonetos na câmara inferior experimentam mais uma etapa de decomposição. Mais vapor é adicionado tal que todo hidrocarboneto é reformado para liberar volumes substanciais de hidrogênio. Embora, algum combustível seja queimado neste estágio, levando a uma potencial perda de rendimento, isto é mais do que compensado pelo monóxido de carbono e hidrogênio extras liberados a partir dos hidrocarbonetos inferiores tais como metano e alcatrões. A técnica maximiza rendimentos enquanto produz um gás de síntese que é excepcionalmente baixo em alcatrão e hidrocarbonetos. A razão total de CO:th produzida pelo gaseificador é controlada pela razão e velocidade de fluxo de oxigênio e vapor adicionados no gaseificador. O estágio inferior também tem efeitos benéficos sobre os poluentes como amônia e sulfeto de hidrogênio. Pelo controle da temperatura dentro da câmara inferior e assegurando que seja suficientemente alta, então a decomposição térmica rápida de amôniae de sulfeto de hidrogênio pode ser promovida. É benéfico que ambos estes produtos liberem hidrogênio na decomposição, contudo, o real benefício é aliviar os requerimentos de unidades auxiliares de limpeza de gás a jusante.

Se desejável, a câmara inferior pode ser operada num modo muito quente tal que as cinzas que caem através da grade podem ser fundidas, uma vez que o processo opera com um modo de desescoriamento inferior. Também qualquer carbono não gaseificado experimentará outra reação nesta câmara inferior.

Na figura 2, três exemplos de estágios de injeção são ilustrados. Estes estágios de injeção podem compreender numerosos injetores localizados em diferentes localizações radiais na mesma altura do gaseificador de modo a assegurar um meio eficiente de introdução dos oxidantes desejados. Isto é particularmente importante para a seção inferior onde é importante que o gás de síntese seja rapidamente misturado com a injeção secundária de oxidante para assegurar que a cinética homogênea rápida ocorra. Dependendo da matéria-prima que é gaseificada pode ser desejável ter mais ou menos pontos de injeção e estes podem compreender numerosos bocais injetores, contudo, anéis formados por cinco ou seis bocais injetores têm-se mostrado muito satisfatórios. Os bocais podem ser supridos com a fonte que utiliza um arranjo “anel-principal” ou pode ser suprido com fontes individuais.

Na figura 2, a grade é disposta para criar uma câmara superior e inferior de volumes essencialmente iguais. Contudo, dependendo da qualidade da gaseificação da matéria-prima, pode ser desejável mover a grade para que a razão do volume das câmaras superior e inferior seja mudada. Também para os produtos de gás de síntese serem ultra baixos em alcatrão, pode ser desejável possuir uma câmara inferior maior para gastar mais tempo na reação.

As cinzas produzidas pela gaseificação passam através da grade (25) e zona de gaseificação inferior (32) e são coletadas na caixa de coleta de cinzas (22). As cinzas podem ser removidas a partir deste ponto de coleta utilizando tanto de uma maneira contínua, que utiliza técnicas bem conhecidas por aqueles versados na arte, quanto num modo em batelada onde a caixa de coleta é dimensionada suficientemente grande tal que requeira ser esvaziada apenas numa freqüência aceitável. As cinzas produzidas a partir do gaseificador contêm quantidades apreciáveis de minerais e metais alcalinos traços que se acumularam na matéria vegetal. As cinzas são sub-produtos comercializáveis que têm utilidade como fertilizante e modificadores de pH de solo ou como aditivo de concreto. Acredita-se que as cinzas sejam particularmente adequadas para a fertilização de terras uma vez que estas contêm minerais traços inicialmente presentes na própria planta. As cinzas produzidas a partir da gaseificação não impõem os riscos potenciais à saúde das cinzas produzidas a partir da incineração de biomassa. Isto é devido ao processo de gaseificação ser conduzido em baixas temperaturas, assim substâncias nocivas e potenciais carcinogênicos tais como derivados de fenil e dioxinas não são produzidos.

Numa realização de exemplo preferida a grade possui um mecanismos de acionamento que permite que a grade gire. Neste caso, a queda da pressão através do leito é continuamente monitorada. Se a leitura é excessivamente alta, isto indica entupimento no leito e o mecanismo de acionamento pode ser ativado para remover as cinzas da seção inferior do leito por agitação. Se a leitura se tornar muito baixa, isto indica que fissuras podem estar ocorrendo. Novamente neste caso, a grade é girada e o leito agitado para produzir um leito mais uniforme.

Alternativamente, a agitação da grade pode ser provida por outros meios, incluindo transdutores de vibração radialmente localizados. Neste caso os transdutores são ativados se a variação da pressão do leito se tornar maior ou menor. Uma variação de pressão de aumento é indicativa da formação de um bloqueio, enquanto uma leitura baixa é devida à formação de canais. Uma vez ativados, as vibrações dos transdutores são transferidas para a grade tanto através de um acoplamento direto quanto indiretamente através da parede ou portas que alojam cabos de conexão.

Numa realização ainda preferida de exemplo o fluxo de gás de síntese que sai do gaseificador é continuamente monitorado para assegurar que a razão desejada entre H2 e CO está sendo produzida. Os gases podem ser continuamente monitorados pelo uso de numerosas técnicas tais como espectroscopia de infravermelho, células eletroquímicas ou cromatografia rápida. Com base em qualquer desvio do ponto estabelecido desejado, o processo é ajustado. Isto é principalmente alcançado através de ajustes de volume e tipo de oxidante que é injetado em cada local. Esta técnica oferece controle de muitas variáveis importantes que incluem temperatura do leito, velocidade de produção de CO2, e velocidade e equilíbrio da reação de conversão de gás em água. Todas estas variáveis tem uma influência direta sobre a razão FErCO no gás produzido.

Numa realização ainda preferida de exemplo o gás de síntese que sai do gaseificador passa num trocador de calor economizador. No arranjo o calor sensível contido dentro do gás de síntese é transferido para fornecer a energia para vaporizar e superaquecer o fluxo de vapor de entrada. É benéfico que o vapor seja injetado numa temperatura alta, temperaturas tão altas quanto cerca de 1800°F (982 °C) são particularmente úteis. Este arranjo leva a um ganho de eficiência térmica significativo para o sistema.

Uma vez que o gás é resfriado, pode ser desejável alimentar o gás de síntese num reator de conversão de gás em água de baixa temperatura tal que a composição pode ser bem regulada. O equilíbrio da conversão de gás em água muda com a temperatura tal que um gás que deixa o gaseificador no equilíbrio determinado pela temperatura pode ser ainda ajustado na temperatura mais baixa. Este efeito é particularmente útil se maior produção de hidrogênio for desejada.

Numa realização ainda preferida de exemplo o gás de síntese experimenta ainda limpeza e é comprimido e utilizado num processo secundário projetado para produzir produtos líquidos a partir do gás de síntese. A limpeza pode incluir um sistema projetado para remover compostos contendo enxofre, amôniae ácido clorídrico a níveis menores do que cerca de 1 ppm. O gás de síntese experimenta compressão, possivelmente com resfriamento intermediário, antes de passar num reator de gás para líquidos. O processo permite a produção de vários potenciais combustíveis incluindo, mas não limitado a, metanol, etanol, dimetiléter, “Fischer-Tropsch Syncrude” e similares.

Numa outra realização qualquer gás de síntese não reagido ou gás leve produzido no processo de gás em líquidos pode ser reciclado para o gaseificador. Este gás pode ser introduzido no gaseificador através dos injetores de oxigênio e vapor ou através de um anel separado de bocais. Este gás pode ser parcialmente oxidado para produzir gás de síntese e calor ou completamente oxidado para fornecer todo o calor requerido pelo processo. A técnica permite a reciclagem eficiente deste gás ou de produtos não desejáveis produzidos no processo GTL (gás em líquido).

Ainda numa realização de exemplo, o vapor pode ser gerado a partir da água produzida no processo GTL. O fluxo de água pode conter quantidades traço de orgânicos. A técnica remove uma potencial eliminação de água, bem como, recicla eficientemente os compostos contendo carbono para produzir gás de síntese.

Embora, apenas poucas realizações de exemplo desta invenção foram descritas acima em detalhes, aqueles versados na arte notarão prontamente que qualquer modificação é possível nas realizações de exemplo sem materialmente sair dos novos ensinamentos e vantagens desta invenção. Conseqüentemente, todas tais modificações são pretendidas para ser incluídas dentro do escopo desta invenção como definido nas reivindicações seguintes. Deve-se ainda notar que qualquer patente, pedido e publicação aqui referida são incorporadas como referência na sua integridade.

REIVINDICAÇÕES

Claims (20)

1. Aparelho para gaseificação controlada de alimentação contendo carbono, tal como biomassa, CARACTERIZADO por compreender: a) uma câmara de gaseificação superior (31) tendo uma entrada para receber uma alimentação contendo carbono; b) uma câmara de reformação inferior (32) tendo uma saída para fornecer um retirada de gás de síntese, o dito gás de síntese compreendendo monóxido de carbono e hidrogênio molecular; c) uma grade (25) disposta entre a dita câmara de gaseificação superior (31) e a dita câmara de reformação inferior (32), a dita grade (25) tendo uma pluralidade de aberturas, as ditas aberturas sendo grandes suficiente para permitir gases e partículas de cinzas passarem entre as ditas câmaras; d) uma primeira pluralidade de injetores (28) para suprir pelo menos oxigênio ou vapor a câmara superior (31); e) uma segunda pluralidade de injetores (29) para suprir pelo menos oxigênio ou vapor a câmara inferior (32); f) uma primeira e segunda pluralidade de injetores (28, 29) sendo independentemente controláveis para fornecer controle de temperatura independente às ditas câmaras.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pela segunda pluralidade de injetores (29) suprir tanto oxigênio quanto vapor à câmara de reformação inferior (32).

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelas ditas câmaras (31, 32) serem revestidas com reffatário.

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pela grade (25) ser localizada tal que a razão do volume da câmara de gaseificação superior (31) em relação a câmara de reformação inferior (32) estar na faixa de cerca de 0,05 a cerca de 20.

5. Processo para gaseificação controlada de biomassa, CARACTERIZADO por compreender: a. fornecer um gaseificador tendo uma câmara superior (31) e uma câmara de reformação inferior (32) com uma grade (25) disposta entre estas, a dita grade (25) permitindo a formação de uma cama de cinzas, permitindo gás e partículas de cinzas passarem entre as ditas câmaras enquanto evita cinzas maiores passarem entre as ditas câmaras, e permitindo um controle de temperatura independente para as ditas câmaras; b. gaseificar uma quantidade de biomassa na dita câmara superior (31) utilizando oxigênio e vapor e misturas destes; e c. ajustar a composição do dito fluxo de gaseificação na dita câmara inferior (32) através de uma segunda adição de oxigênio e vapor e misturas destes.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pela câmara inferior (32) reformar pelo menos parcialmente ou oxidar os hidrocarbonetos inferiores e alcatrão para produzir monóxido de carbono e hidrogênio.

7. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelas ditas primeira e segunda pluralidade de injetores (28, 29) suprirem oxigênio e em que o oxigênio total fornecido pelas primeira e segunda pluralidade de injetores (28, 29) estar entre cerca de 5% e cerca de 100% do peso da alimentação.

8. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelas ditas primeira e segunda pluralidade de injetores (28, 29) suprirem pelo menos vapor, e em que o vapor total fornecido pelas primeira e segunda pluralidade de injetores (28) estar entre cerca de 10% e cerca de 500% do peso da biomassa alimentada.

9. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelas ditas primeira e segunda pluralidade de injetores (28, 29) suprirem oxigênio e em que a primeira pluralidade de injetores (28) supre cerca de 50 a cerca de 99% dos oxidantes totais serem supridos em ambas as câmaras superior (310 e inferior (32).

10. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por ainda compreender análise de gás online para monitorar a composição do gás de síntese produzido e controlar pelo menos a velocidade, tipo e local do oxidante suprido.

11. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por ainda compreender um trocador de calor em linha para recuperar o calor da dita saída.

12. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por ainda compreender um trocador de calor em linha para remover o vapor da dita saída e usar o dito calor para produzir um vapor superaquecido a ser suprido a pelo menos uma das ditas câmaras superior (31) ou inferior (32).

13. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por ainda compreender um trocador de calor em linha para recuperar o calor da dita saída e usar o dito calor para produzir um vapor super aquecido a ser suprido a pelo menos uma das ditas câmaras superior (31) ou inferior (32).

14. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo hidrocarboneto inferior e o alcatrão serem pelo menos parcialmente reformados ou oxidados na câmara de reformação inferior (32) para produzir monóxido de carbono e hidrogênio.

15. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo oxigênio total utilizado no processo estar entre cerca de 5% e cerca de 100% do peso da alimentação.

16. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo vapor total usado no processo estar entre cerca de 10% e cerca de 500% do peso da biomassa alimentada.

17. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por cerca de 50 a cerca de 99% dos oxidantes totais serem introduzidos na câmara de gaseificação superior (31).

18. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo sistema de análise de gás online ser utilizado para monitorar a composição do gás de síntese produzido e então utilizado para controlar pelo menos a velocidade, tipo e local da injeção de oxidante no gaseificador.

19. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo gás produzido passar através de um trocador de calor em linha para facilitar a recuperação do calor sensível e extinção do vapor.

20. Processo de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo gás produzido passar através de um trocador de calor em linha em que o vapor superaquecido é gerado e direcionado para o gaseificador.