BRPI0709913A2

BRPI0709913A2 - sistema e mÉtodo para calcinaÇço de minerais

Info

Publication number: BRPI0709913A2
Application number: BRPI0709913-4A
Authority: BR
Inventors: Connor James Horley; Mark Geoffrey Soeats
Original assignee: Calix Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2011-07-26
Also published as: US9469884B2; US20140348727A1; AU2007233570B2; CN101466461B; EP2004319B8; CA2643594C; EP2004319A1; CA2643594A1; CN101466461A; AU2007233570A1; US8807993B2; EP2004319A4; BRPI0709913B1; BRPI0709913A8; WO2007112496A1; US20110008227A1; EP2004319B1

Abstract

<B>SISTEMA E MÉTODO PARA CALCINAÇçO DE MINERAIS<D>A presente invenção refere-se a um sistema e um método para a calcinação de minerais. O sistema compreende um segmento de reator disposto verticalmente e configurado para transmitir forças horizontais sobre as partículas que passam através do segmento de reator em uma direção vertical; uma unidade de injetor para receber a matéria-prima granulada, a unidade de injetor sendo disposta em uma parte superior do segmento de reator, por meio de que os grânulos da matéria-prima se movem através do segmento de reator em um fluxo granular sob pelo menos um de um grupo que consiste em uma força de vapor, na força gravitacional e uma força centrífuga; uma unidade de troca de calor do reator acoplada termicamente a uma parede do segmento de reator para fornecer o calor aos grânulos que fluem dentro do segmento de reator com a transferência térmica através da parede do segmento de reator; uma ou várias entradas formadas no segmento de reator para introduzir um gás superaquecido no segmento de reator para criar condições de um sistema multifase gás-sólido; e uma ou várias aberturas de exaustão formadas no segmento de retorta de modo que os produtos do gás pelo menos são limpos parcialmente do segmento de reator sob o fluxo do gás superaquecido a partir das entradas para as aberturas de exaustão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA EMÉTODO PARA CALCINAÇÃO DE MINERAIS"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se, de maneira ampla, a um sistemae método para a calcinação de minerais.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A calcinação de rochas e minérios de materiais, tais como, car-bonatos de metal para produzir suas formas de óxido, consiste em uma con-tribuição principal para as emissões de gás de efeito estufa. Os calcinadoresusados atualmente são, em geral, fornos verticais que são otimizados emsua eficiência de energia total. Um forno vertical típico calcina calcário con-sumindo-se 3,6 GJ por tonelada de cal na melhor prática, comparado ao limi-te termodinâmico de 3,18 GJ por tonelada. Estes fornos verticais geralmentesubstituíram os fornos giratórios horizontais ineficientes anteriores. Outrosfornos que foram empregados em usos específicos incluem os reatores deleito fluidizado e reatores de leito fluidizado de circulação.Emissões de Dióxido de Carbono

Reconhece-se que a calcinação consiste no principal gerador degás de efeito estufa, responsável por 2,5% de todas as emissões provenien-tes de atividade humana. A calcinação de carbonatos produz dióxido de car-bono, de maneira intrínseca, embora o processo de combustão, conformegeralmente usado para fornecer o calor, também produza dióxido de carbo-no. Os equilíbrios de massa e energia dos dois processos demonstram quecada tonelada de calcário produz 0,44 toneladas de dióxido de carbono e acombustão de LPG produz 3,18 GJ de calor que produz outras 0,21 tonela-das de dióxido de carbono, fornecendo emissões totais de 0,65 toneladas dedióxido de carbono por tonelada de cal produzida sob condições ideais.Condições não-ideais podem produzir significativamente mais dióxido decarbono. Nos processos de calcinação amplamente usados hoje tanto para aprodução de cal como de clínquer, o dióxido de carbono proveniente da rea-ção intrínseca e da queima de combustível é produzido no calcinador, e éventilado na atmosfera como um poluente. A intervenção desta emissão tor-na-se difícil pelo fato de que o dióxido de carbono também é misturado comnitrogênio e outros gases de combustão, de modo que uma etapa dispendio-sa de separação destes gases é requerida como a primeira etapa na capturade carbono. A indústria encontra-se atualmente sob pressão considerávelpara minimizar as emissões de dióxido de carbono e a separação de dióxidode carbono do nitrogênio e da maior parte dos outros gases é atualmentenão econômica.

Reatores que Usam Transferência de Calor

Existem inúmeros processos alternativos sugeridos que podemser usados como a base para um processo de calcinação ambientalmentebenéfico aprimorado. Uma abordagem consiste em separar os processos decombustão e calcinação usando-se transferência de calor removendo, destemodo, a necessidade de separar o dióxido de carbono liberado a partir dareação de calcinação dos gases de combustão. Saddy et al (WO 97/01615)descreve uma fornalha de radiação térmica na qual uma fonte externa é u-sada para aquecer os conteúdos do calcinador através de transferência decalor radiativo. Em seu sistema o material é alimentado através do calcina-dor como uma pilha controlada por uma válvula giratória, por exemplo, naparte mais baixa da fornalha, com um longo tempo de residência. Esta abor-dagem tem um efeito benéfico adicional de reduzir a concentração de dióxi-do de carbono no calcinador, de modo que o arrefecimento da reação atra-vés de dióxido de carbono possa ser parcialmente suprimido. Este arrefeci-mento é um problema bem estudado, por exemplo, como relatado por E.Cremer, Z. Electrochem, 66 pp. 697-702 (1962). Uma redução da concentra-ção de dióxido de carbono permite que o processo de calcinação procedaem uma temperatura inferior.

O uso de aquecimento externo, entretanto, alcança potencial-mente um custo de energia. Em fornos convencionais que usam combustãointerna, existe transferência de calor eficiente para o material, e a perda decalor proveniente dos gases de combustão é minimizada através da recupe-ração cuidadosa de calor para a matéria-prima e o combustível. A melhorprática consiste tipicamente em 20% de perda de calor. O custo do combus-tível é geralmente um componente grande do custo de operação de um for-no. Se forem usados queimadores para fornecer calor externo, a perda decalor pode ser considerável, na ordem de 30%, Shah et al (patente U.S.7.025.940) descreve uma abordagem para o aquecimento externo, chamadade Combustão Distribuída Sem Chama (FDC)1 na qual a combustão docombustível ocorre essencialmente como uma reação química homogênea.Os requerimentos consistem no fato de que o combustível, tal como o gásnatural, etanol, diesel ou biodiesel é misturado com o ar que foi aquecido, demodo que a temperatura na seção do aquecedor fique acima da temperaturade auto-ignição. Para atingir uma temperatura uniforme, a taxa de combus-tão precisa ser mais lenta do que o tempo de mistura dos gases no reator emúltiplos pontos de injeção são usados. A formação de carbono por pirólisena seção de aquecimento de combustível pode ser suprimida através da in-jeção de CO2 e vapor nesta seção. Reivindica-se que a eficiência de transfe-rência de calor de FDC seja tão alta quanto 95%. A uniformidade asseguraque pontos quentes não se formem sobre as superfícies de troca de calor.Deste modo, o uso de FDC em um calcinador externamente aquecido podeser mais eficiente que a melhor prática atual para fornos convencionais comcombustão interna. A temperatura mais baixa do sistema, comparada comaquela de uma chama, é de modo que a produção de NOx e CO seja muitopequena. A FDC também pode ser realizada através da incorporação de ummaterial poroso dentro do queimador, de modo que a retroinformação decalor que cria a eficiência de energia de FDC seja realizada em uma escalade mícron. O benefício da utilização de um material poroso é que a transfe-rência de calor radiativo do combustor para a superfície de reator é otimiza-da.

O Efeito Catalítico de Vapor

O uso de vapor superaquecido na calcinação foi proposto porNiles (patente U.S. número 1.798.802, concedida em 1931), que descreveu30 um processo no qual o vapor superaquecido reage com um combustível co-locado dentro do forno a fim de produzir monóxido de carbono. Walker (pa-tente U.S. número 2.068.882, concedida em 1937) propôs o uso de vaporsuperaquecido no lugar um vácuo para a calcinação por calor elétrico. Vogel(patente U.S. número 2.784.956, concedida em 1957) aprimorou o processo.Uma característica destes processos é que o tamanho da matéria-prima ésignificativamente maior que 100 mícrons, de modo que o vapor superaque- cido sirva como um reagente para oxidar o combustível introduzido ou paraauxiliar a transferência de calor no vácuo parcial para a matéria-prima. Ma-clntyre e Stansel, Ind e Eng Chern 45, 1548-1555 (1953), conduziram expe-rimentos de calcinação de calcário e dolomita, e demonstraram que a tempe-ratura para a calcinação de calcário sob condições experimentais usada re- duziu de 91 OeC no ar para 700°C no vapor superaquecido, e a dolomita de690gC no ar para 550°C no vapor superaquecido sugerindo, deste modo, umefeito catalítico para uma dada pressão parcial de dióxido de carbono. Emseus experimentos, o dióxido de carbono e o vapor foram bombeados a par-tir do sistema em uma taxa, de modo que o efeito deletério da reação de re- torno fosse reduzido. Terry e McGurk, Trans Inst Mining and Metallurgy, 103,C62-C68 (1994) conduziram experimentos de Análise Térmica Diferencial epropuseram que a catálise de calcário por vapor superaquecido ocorre atra-vés de um bicarbonato de cálcio intermediário ativado. Thompson et al,Chem Eng Sd, 50, 1373-1382 (1995), que usa a difração de raios X dinâmica avaliou a cinética da catálise e demonstrou que a catálise ocorreu através daadsorção de moléculas de água sobre a superfície, que enfraqueceu a liga-ção de dióxido de carbono. Eles mostraram que o efeito catalítico aumentoucom a temperatura, sendo que o aprimoramento depende da pressão parcialde vapor superaquecido. Em fornos convencionais, o tamanho da matéria- prima é significativamente maior que 100 mícrons, e muitas vezes substan-cialmente maior (10-100mm), de modo que o efeito catalítico de vapor supe-raquecido introduzido seja marcado pelos processos mais lentos de trans-porte de massa e calor dentro das rochas de matéria-prima. Em um fornoconvencional, o vapor superaquecido que atua como um reagente para a combustão ou para auxiliar a transferência de calor pode ter, portanto poucoimpacto sobre a taxa de calcinação.

Horley (AU 199477474 A1 e AU 2002301717A1) descreve umcalcinador em lote que se aproveita da catálise de vapor, de modo que acalcinação de uma carga de grânulos moídos possa ocorrer durante umaqueda gravitacional de uma carga através do vapor superaquecido. Esteprocesso é limitado em rendimento porque a energia requerida para a rea-ção é proporcionada pela energia térmica do vapor. Para que o processo emHorley se aplique em um processo contínuo, a taxa de alimentação requeri-da do vapor pode ser requerida.

O Uso de Grânulos em Calcinadores

Wicke e Wuhrer (patente U.S. número 3.991.172, concedida em1976) propuseram que a calcinação de calcário finamente moído (tamanho <100 mícrons), sem vapor superaquecido, com rápido aquecimento e resfria-mento da ordem de segundos fornece uma cal altamente reativa (por exem-plo, conforme medida pela reação da cal resfriada com água) devido à altadensidade de defeitos químicos na estrutura de retícula dos produtos. Talreatividade é perdida se o tempo de retenção for muito alto, porque o mate-rial começa a se reestruturar na alta temperatura em um processo relaciona-do à têmpera que remove os defeitos químicos. Kato e Nakazawa (patenteU.S. número 5.653.948, concedida em 1997) reconheceram o benefício daprodução de uma cal reativa calcinada fina com um tamanho de 1-100 mí-crons e descreveram uma abordagem de produção de um produto calcinadocom este tamanho em um calcinador de leito fluidizado, que fragmenta amatéria-prima de 100-1500 mícrons neste tamanho:Reatores de Leito Fluidizado

Os reatores de leito fluidizado operam geralmente através doequilíbrio da força gravitacional que atua sobre os grânulos através da flutu-abilidade da fase fluida. Entretanto, esta abordagem é geralmente imprópriapara calcinar a matéria-prima finamente moída de 30-150 mícrons porque osgrânulos são arrastados nos gases produzidos para fluxos razoáveis de gás.

Existem variantes desta classe de reatores, isto é, reatores deleito fluidizado de recirculação em que os grânulos são pneumaticamentecirculados através de um sistema de reator que usa uma combinação deelevações e depressões, cada uma das quais pode ser uma parte integral doreator. Esta abordagem é usada nos processos industriais, tal como o cra-queamento catalítico do petróleo. Entretanto, tais reatores têm uma longadistribuição de períodos de residência para os grânulos devido ao fato de osgrânulos serem circulados muitas vezes antes que uma fração do fluxo sejaextraída. Isto é apropriado para o caso em que os grânulos servem comocatalisadores, porém, onde as propriedades de produto forem sensíveis aoperíodo de residência, por exemplo, onde eles sintetizam, a recirculação nãoé desejável.

Calcinador Rápido

Existem calcinadores rápidos conhecidos na técnica que usamgrânulos moídos como a matéria-prima. Estes sistemas podem ter um perío-do de residência mais baixo que os fornos convencionais. Entretanto, nestessistemas os grânulos são geralmente arrastados no gás de combustão comoum resultado da utilização de queimadores dentro do calcinador, de modoque a produção do calcinador seja uma mistura dos gases de combustão ecalcinação, e sejam emitidos na atmosfera, como um forno padrão. Em outroexemplo de um calcinador rápido, as forças centrífugas dos gases de com-bustão dentro do calcinador são usadas para reter os grânulos no reator.Estas abordagens, embora talvez reduzam o período de residência no calci-nador, ainda podem ter muitos problemas traçados acima e resultar nomesmo impacto ambiental negativo que a calcinação convencional.

Existe uma técnica anterior que descreve a calcinação dos grâ-nulos na forma de uma pilha de pó. Ward e Todd-Davies (GB 2043219) des-crevem um calcinador no qual uma pilha de pó é aquecida por um lança queinjeta gases de combustão na pilha móvel de tais grânulos. Este reator élimitado pela taxa de injeção do gás de combustão que, de outro modo, fazcom que os grânulos sejam arrastados no gás e lavados com a combustãode gases. Deste modo, o período de residência de grânulos neste projeto decalcinador é relativamente alto. Como acima, o gás descarregado contémtanto o gás de combustão como o gás de calcinação, de modo que o pro-cesso tem o mesmo impacto ambiental negativo que a calcinação conven-cional.Portanto, existe uma necessidade de proporcionar um método esistema para calcinação de minerais que procure solucionar pelo menos umdos problemas mencionados acima.

As modalidades da invenção procuram atender os requerimen-tos para uma calcinação rápida de um material granular em um sistema dereator que limite o período de residência dos grânulos e que minimize osimpactos ambientais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, pro-porcionou-se um sistema para a calcinação de minerais, o sistema que com-preende um segmento de reator disposto verticalmente configurado paraconferir forças horizontais nas partículas que passam através do segmentode reator em uma direção vertical; uma unidade injetora para receber a ma-téria-prima granular, sendo que a unidade injetora é disposta em uma partesuperior do segmento de reator, por meio da qual os grânulos da matéria-prima se movem através do segmento de reator em um fluxo granular sobpelo menos um entre um grupo que consiste em uma força de vapor, umaforça gravitacional e uma força centrífuga; uma unidade de troca de calor dereator termicamente acoplada em uma parede do segmento de reator paraproporcionar calor para os grânulos que fluem dentro do segmento de reatoratravés da transferência de calor da parede do segmento de reator; uma oumais entradas formadas no segmento de reator para introduzir um gás supe-raquecido no segmento de reator para criar condições de um sistema multi-fásico de gás-sólido; e uma ou mais aberturas de exaustão formadas nosegmento de reator, de modo que os produtos de gás sejam pelo menosparcialmente descarregado do segmento de reator sob o fluxo do gás supe-raquecido a partir das entradas até as aberturas de exaustão.

O segmento de reator pode compreender uma ou mais câmarasde reator e um separador de grânulo de gás acoplado nas câmaras de reatorque utilizam um vórtice formado a partir da passagem de material através dacâmara de reator para separar os produtos de gás dos grânulos.

O sistema pode compreender adicionalmente duas ou mais câ-maras de reator e respectivos separadores de gás-grânulo acoplados conec-tados em série, de modo que o material processado de uma câmara de rea-tor coletado que utiliza o separador de gás-grânulo acoplado a uma dita câ-mara de reator seja alimentado em outra câmara de reator e coletado, apóso processamento adicional na dita outra câmara de reator, que utiliza o se-parador de gás-grânulo acoplado à dita outra câmara de reator.

Pelo menos um dos separadores de gás-partícula pode compre-ender uma unidade de aquecedor para aquecer o material coletado paraproporcionar uma funcionalidade de reator de compensação. Pelo menos oseparador de gás-partícula acoplado a uma dita câmara de reator podecompreender adicionalmente uma unidade de bombeamento para bombearo material coletado durante o dito aquecimento para suprimir uma reação de retorno.

O segmento de reator pode compreender uma pluralidade decâmaras de reator acoplada em um separador de partícula.

A unidade de troca de calor de reator pode utilizar o aquecimen-to distribuído sem chama e pelo menos uma das aberturas de exaustão éacoplada à unidade de troca de calor de reator para direcionar uma partedos produtos de gás no combustível para que o aquecimento distribuído semchama facilite a supressão de pirólise.

O segmento de reator pode compreender um ou mais tubos li-neares como câmaras de reator e um ou mais separadores de partícula degás, os separadores de gás conferem as forças horizontais sobre as partícu-las.

O segmento de reator pode compreender um ou mais tubos es-pirais respectivamente formados em uma hélice como câmaras de reator.

As aberturas de exaustão podem compreender uma coluna cen-tral formada em uma circunferência interna do tubo espiral, por meio da qualo sistema exibe um contra-fluxo dos produtos de gás com relação aos grânu-Ios no tubo espiral.

O sistema pode compreender adicionalmente um tubo transpor-tador acoplado ao injetor e disposto dentro da coluna central, para transpor-tar os grânulos a partir de uma base do segmento de reator para o injetor.

Os grânulos podem ser transportados através do tubo transpor-tador sob a força do gás superaquecido, por meio do qual o injetor funcionacomo uma das entradas para introduzir o gás superaquecido no tubo espiral.

A unidade de troca de calor de reator pode compreender umaunidade de aquecimento distribuída sem chama porosa e um ou mais entreum grupo que consiste na câmara de reator, o separador de grânulo de gás,a coluna central e o tubo transportador são moldados na unidade de aque-cimento distribuída sem chama porosa.

Um período de residência dos grânulos na câmara de reator po-de ser menor que cerca de 10 segundos.

Os grânulos podem ter uma distribuição de tamanho entre cercade 40 mícrons e cerca de 250 mícrons.

De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, pro-porcionou-se um método para a calcinação de minerais, o método compre-ende as etapas de mover os grânulos de uma matéria-prima através de umsegmento de reator verticalmente disposto em um fluxo granular sob pelomenos em entre um grupo que consiste em uma força de vapor, uma forçagravitacional e uma força centrífuga; conferir forças horizontais nas partícu-Ias que passam através do segmento de reator em uma direção vertical; for-necer calor para grânulos que fluem dentro do segmento de reator atravésda transferência de calor da parede do segmento de reator; introduzir umgás superaquecido no segmento de reator para criar condições de um sis-tema multifásico gás-sólido; e lavar produtos de gás pelo menos parcialmen-te a partir do segmento de reator sob o fluxo do gás superaquecido.

O método pode compreender adicionalmente separar os produ-tos de gás dos grânulos que utilizam um vórtice formado a partir da passa-gem de material através da câmara de reator.

O método pode compreender adicionalmente alimentar o materi-al processado a partir de uma câmara de reator do segmento de reator emoutra câmara de reator do segmento de reator.

O método pode compreender adicionalmente aquecer o materialcoletado para proporcionar uma funcionalidade de reator de compensação.

O método pode compreender adicionalmente bombear o materi-al coletado durante o dito aquecimento para suprimir uma reação de retorno.

O método pode compreender utilizar uma unidade de aqueci-mento distribuída sem chama para o aquecimento da parede de câmara dereator e direcionar uma parte dos produtos de gás dentro combustível para aunidade de aquecimento facilitar a supressão de pirólise.

O segmento de reator pode compreender um ou mais tubos li-neares como câmaras de reator e um ou mais separadores de partícula de

O gás, os separadores de gás conferem as forças horizontais nas partículas. Osegmento de reator pode compreender um ou mais tubos espirais respecti-vamente formados em uma hélice como câmaras de reator.

O método pode compreender adicionalmente transportar pneu-maticamente os grânulos até uma parte superior da câmara de reator.

A unidade de troca de calor de reator pode compreender umaunidade de aquecimento distribuída sem chama porosa e um ou mais de umgrupo que consiste na câmara de reator, o separador de grânulo de gás eum tubo transportador para transportar os grânulos são moldados na unida-de de aquecimento distribuída sem chama porosa.

Os grânulos podem ter uma distribuição de tamanho entre cercade 40 mícrons a cerca de 250 mícrons.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As modalidades da invenção serão mais bem entendidas e pron-tamente aparentes para alguém versado na técnica a partir da seguinte des-crição escrita, somente por meio de exemplo, e em conjunção com o dese-nho, em que a:

A figura 1 mostra um desenho esquemático em corte transversalde um reator calcinador de acordo com uma modalidade de exemplo.

A figura 2 mostra um desenho esquemático em corte transversalde um reator calcinador em dois estágios de acordo com uma modalidade deexemplo.

A figura 3 mostra um desenho CAD de uma vista em recorte i-sométrica de um reator calcinador de acordo com uma modalidade de e-xemplo.

A figura 4 mostra um desenho CAD de uma vista em recorte i-sométrica de um reator calcinador em dois estágios de acordo com uma mo-dalidade de exemplo.

A figura 5 mostra um fluxograma que ilustra um método para acalcinação de minerais de acordo com uma modalidade de exemplo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

As modalidades de exemplo descritas fornecem um sistema emétodo calcinação contínua. Os reatores compactos descritos incorporaminúmeros recursos, cuja função é acelerar a taxa de reação, de modo que ograu requerido de reação seja cerca de 96-98% concluído em alguns segun-dos, que corresponde ao período de residência dos grânulos no sistema. Emprimeiro lugar, o efeito cataiítico de vapor atua sobre a reação de calcinaçãodos grânulos. Ademais, usando-se inúmeros segmentos de reator atravésdos quais os grânulos podem passar seqüencialmente, o efeito deletério dereincorporação de dióxido de carbono no material a ser calcinado é reduzidoà medida que o dióxido de carbono é separado dos grânulos na extremidadede cada segmento. Adicionalmente, o dióxido de carbono é lavado a partirdo reator injetando-se vapor superaquecido na entrada de cada segmentode reator para reduzir a pressão parcial de dióxido de carbono no reator, quereduz a pressão parcial de dióxido de carbono próxima à saída do reator.Este vapor superaquecido é injetado com uma pressão de gás inicial que ésuficientemente alta para catalisar a reação e forçar os grânulos através doreator.

As modalidades descritas fornecem um sistema e processo quese aproveita tanto da cinética química mais rápida engendrada pelo efeitocatalítico do vapor superaquecido em associação com um tamanho de grâ-nulo pequeno e o uso do vapor superaquecido para a transferência de calorda fase de gás. Ao mesmo tempo, entretanto, as modalidades descritas sãoprojetadas, de modo que o mecanismo dominante de transferência de calorocorra a partir das paredes do calcinador diretamente nos grânulos como umresultado de dois fatores principais. Ou seja, a transferência de calor quesurge a partir da forte interação dos grânulos com o gás engendrado pelasgrandes forças centrífugas que atuam nos grânulos e a fricção resultante dogás que é conferida às paredes do tubo reator, e a transferência de calorque surge do aquecimento por radiação dos grânulos. O fluxo granular atra-vés do tubo helicoidal é significativamente mais lento do que através de umtubo reto equivalente, e isto não somente gera a fricção requerida para oprimeiro mecanismo acima para a transferência de calor, mas também con-trola e transita através do reator para permitir que a transferência de calorocorra de maneira eficiente. Deste modo, um tubo helicoidal pode processaruma produção mais alta do que um tubo linear com mesmo diâmetro e com-primento.

A separação eficiente dos grânulos na saída de cada segmentode reator é realizada por um separador de grânulo de gás integrado, e atra-vés do uso de um fluxo helicoidal dentro do reator, de modo que a ação devórtice requerida para a separação eficiente é estabelecida antes da injeçãona unidade separadora. A reversão do fluxo de gás no separador é realizadausando os mesmos princípios que um separador ciclônico. Ou seja, a com-binação do reator de tubo helicoidal e um separador gás-grânulo com baseno vórtice dentro de um ciclone opera bem em um sistema de reator integra-do. As forças centrífugas requeridas para que o separador possa ser execu-tado em uma modalidade através do uso de um tubo helicoidal como a câ-mara de reator e em outra modalidade por um tubo linear inicial que é do-brado para fornecer as forças centrífugas próximas à extremidade da câma-ra. Uma combinação de um tubo helicoidal como a câmara de reator comestruturas adicionais próximas à extremidade da câmara de reator para faci-litar que as forças centrífugas também possam ser implementadas em outramodalidade.

O uso de energia eficiente é realizado em uma modalidade u-sando-se o aquecimento sem chama e a distribuição de temperatura deseja-da é atingida escoando-se os gases de combustão em contra-fluxo até osgrânulos no calcinador. Em uma modalidade, os gases de combustão trocamcalor com as paredes de reator por convecção e condução. Em outra moda-lidade, a troca de calor é aprimorada usando-se um meio poroso para confe-rir aquecimento distribuído sem chama, com o material poroso - que propor-ciona transferência de calor por radiação.

Em uma modalidade, o sistema pode ser moldado a partir domaterial poroso usado para o sistema de combustão e a transferência degases entre a área de combustão e a câmara de reação tornou-se imperme- ável através de um envoltório fino do mesmo material em sua forma imper-meável. Neste sistema, a geometria dos tubos pode variar de linear na partesuperior do reator para helicoidal na base. Em outra modalidade, uma plura-lidade de tais câmaras de reação pode ser moldada de modo que possamser alimentadas em um separador de grânulo de gás.

A figura 1 mostra um único reator calcinador vertical de segmen-to 10. A matéria-prima indicada em 11 é produzida de rochas e minérios queforam secos, triturados e pré-moídos. Uma distribuição de tamanho de maté-ria-prima com um tamanho médio na faixa de cerca de 40 mícrons a cercade 250 mícrons é atingida por um sistema de ciclone convencional (não mostrado) com um triturador e moedor (não mostrados). A matéria-prima-11é coletada em um Tremonha de Matéria-Prima 12 e é misturada com vaporsuperaquecido 13 no misturador 14 e pneumaticamente transportada atravésdo tubo transportador 15 para um injetor 16 na parte superior do reator, ondea mesma é injetada no tubo reator 17. Deste modo, o injetor 16 funciona como tanto como o alimentador para os grânulos no tubo reator 17 comouma entrada para vapor superaquecido 13 no tubo reator 17. Será avaliadoque as entradas adicionais podem ser proporcionadas ao longo do tubo 17em diferentes modalidades para alimentar o vapor superaquecido no tuboreator 17. O tubo reator 17 é formado dentro de uma hélice 18 e, de prefe-rência, a hélice 18 é formada dentro de uma estrutura que forma uma colunacentral à prova de vazamento 20. A hélice 15 confere forças horizontais so-bre as partículas que passam através do reator 10 em uma direção vertical.A reação prossegue no tubo de reação 17 até o grau desejado. O vapor su-peraquecido, os grânulos de produto e os gases de reação fluem para forada extremidade aberta 32 do tubo 17 e através do separador gás-grânulo 19.O tubo de reação 17 e o separador gás-grânulo formam um segmento dereator nesta modalidade de exemplo. O movimento do gás é revertido e osgases são expelidos dentro da coluna central 20 através do vórtice formadono separador 19, como um resultado das forças centrífugas induzidas nahélice 18. Será avaliado que as aberturas de exaustão adicionais podem serproporcionadas ao longo do tubo 17 em diferentes modalidades. Os gasesexpelidos na coluna central 20 aquecem o vapor 13 e a matéria-prima 11que é transportada para o injetor 16 antes de os gases serem expelidos naparte superior do reator 21. Os gases de escape podem ser processadoscondensando-se o vapor em um condensador 29 e comprimindo-se o gáspara outros usos. Os grânulos de produto 22 são coletados no tremonha 23e são rapidamente resfriados usando o trocador de calor 30, por exemplo,com a água usada para produzir o vapor. O tubo reator 17 é externamenteaquecido por uma fonte de calor 24 e o reator é termicamente isolado 25para minimizar a perda de calor.

A fonte de calor para o aquecimento do tubo reator 17 pode serenergia elétrica, combustão de combustíveis que usam queimadores, com-bustão de combustíveis que usam aquecimento distribuído sem chama ouum fluido de troca de calor produzido a partir de outra fonte de energia. Nocaso de combustão, o calor residual dos gases de combustão pode formarparte de um sistema de recuperação de calor que usa trocadores de calor(não mostrados). É preferível que o perfil de temperatura ao longo do tuboreator 17 seja controlada, de modo que a carga de calor ao longo do tubo 17seja uniforme. Esta carga de calor não depende somente da temperatura,mas também da cinética química através da evolução da área de superfíciereativa, o vapor pressão parcial que catalisa a reação e a pressão parcialdos gases de produto de reação através de sua reação de retorno com osgrânulos, a velocidade dos grânulos e as eficiências de transferência de ca-lor.Os parâmetros do sistema 100, tal como o fluxo de calor para ostrocadores de calor, as taxas de injeção de matéria-prima, as taxas de inje-ção de vapor superaquecido em cada injetor e a pressão de gás de calcina-dor pode ser ajustada através do controle dos parâmetros para atingir a con-versão desejada da matéria-prima calcinada que sai na base do tremonha23,

O vapor superaquecido executa inúmeros papéis:

Criar as condições iniciais de um sistema multifásico gás-sólido.

Catalisar a reação para permitir que o processo de reação sejaconcluído dentro do período de residência dos grânulos de matéria-prima nosistema.

Lavar o dióxido de carbono do sistema de modo a minimizar oarrefecimento da reação.

Permitir a geração de dióxido de carbono puro através da con-densação e esfregamento do gás de escape.

Desalojar os grânulos das superfícies, a fim de evitar o acúmulode tampões de grânulo.

Proporcionar uma fonte de gás para injeção em um aquecedordistribuído sem chama a fim de controlar a taxa de taxa de reação na tempe-ratura desejada.

A taxa de alimentação da matéria-prima 11 é escolhida de modoque a fração de volume de material sólido no reator calcinador 10 em qual-quer período seja uma fração pequena do volume, cerca de 10"3 a 10"4. Des-te modo, o reator 10 opera sob condições multifásicas diluídas. Os grânulosse movem para baixo em um fluxo granular coletivo sob a força do vapor eda gravidade e são adicionalmente acelerados pelos gases produzidos pelareação. A fabricação do reator ao formar o tubo reator 17 em uma hélice 18cria forças centrífugas grandes sobre os grânulos que, por sua vez, geramuma grande fricção, de modo que a velocidade de grânulo seja 20-40% maisbaixa do que para um tubo reto equivalente. Para as taxas de injeção típicas,o fluxo de fase granular é laminar, considerando que o fluxo de fase de gásseja turbulento. A alta fricção de gás-grânulo gera uma queda de pressão noreator e isto reduz as pressões parciais tanto do vapor como dos gases dereação ao longo do tubo 17, ambas as quais influenciam a taxa de reação.Além disso, a alta fricção também aumenta a taxa de relaxamento térmicoentre os gases e os grânulos, de modo que a reação seja acionada pela transferência de calor a partir da superfície do tubo 17 diretamente até osgrânulos e o gás. Para o aquecimento radiativo, a diminuição de velocidadedos grânulos na hélice 18 aumenta a taxa de transferência de calor atravésda densidade de grânulo mais alta. A forte interação gás-grânulo ocorre demodo que o salto dos grânulos não possa ocorrer na hélice 18 ou pelo me- nos significativamente minimizado.

O período de residência dos grânulos no reator 10 é determina-do pelo fluxo granular induzido pela gravidade, pelas forças centrífugas epelas pressões e velocidades do gás. As condições típicas são aquelas emque o período de residência fica na ordem de alguns segundos. Isto é sufici- entemente rápido para a sintetização dos limitada. Este curto período de re-sidência é uma característica do sistema de reator 10 e a distribuição de pe-ríodos de residência é pequena.

Existem inúmeros recursos de movimento coletivo dos grânulos- chamado no presente documento de "luxo granular" para se distinguir do fluxo de um grânulo que não experimenta nenhuma interação grânulo-grânulo (isto é, um grânulo isolado, como pode ocorrer em carregamentosde massa de grânulo muito baixos - como em kg s"1). Estes recursos inclu-em o carregamento de massa de grânulo do coletor que pode ser, de prefe-rência, suficientemente alto de modo que as colisões grânulo-grânulo sejammais prováveis que as colisões grânulo-parede. Isto é caracterizado pelonúmero de Knudsen Kn. Para um projeto proposto para uma modalidade deexemplo, Kn é ~ 0,1, que fica no limite do fluxo contínuo e fluxo de transição.Para uma boa aproximação, o fluxo de partículas irá atuar como um meiocontínuo, com o padrão de fluxo estabilizado pelas interações grânulo- grânulo.

Outro recurso consiste no padrão de fluxo estabelecido pelosgrânulos ser determinado pelo número de Reynolds Re {que adota um fluxocontínuo) e em um projeto proposto para uma modalidade de exemplo, ofluxo de grânulo tem Re - 200, que corresponde a um fluxo laminar. Ou seja,o padrão de fluxo é, de preferência, não turbulento ou na região de transiçãode turbulência. Por outro lado, o número de Reynolds para o fluxo de gás éda ordem de 3*105, que é turbulento. Um fluxo laminar é uma assinatura do"fluxo granular".

Outro recurso consiste no carregamento de massa de grânuloque deve exceder, preferencialmente, o carregamento de massa de gás (le-vando em conta o gás produzido pela reação). Isto significa que o fluxo departícula não será dominado pelo fluxo de gás - de modo que as partículasnão sejam transportadas como partículas individuais pelo fluxo de gás e ex-pelidas do reator antes que a reação seja concluída. Se o carregamento demassa de gás for muito pequeno, então, os grânulos que fluem em um tubotenderiam a "saltar" e coletar na parte inferior do tubo. O salto é um resulta-do do movimento de grânulo coletivo. O sistema de hélice nas modalidadesde exemplo estabelece um regime no qual os grânulos se movem na veloci-dade de salto através da Hélice, que é cerca de ~ 20% da velocidade de gásno projeto presente. O equilíbrio das forças ocorre, de preferência, de modoque as partículas permaneçam suspensas na Hélice apesar da divergênciade velocidade (sem formação de nódulos). Uma única partícula (isto é, semmovimento coletivo) pode ser arrastada através da Hélice em torno da velo-cidade do gás e pode não ter um período de residência suficientemente lon-go para permitir que a calcinação prossiga.

A pressão de vapor superaquecido é mantida em um medidorpositivo leve, de modo que exista carreamento de ar mínimo e perda de va-por superaquecido mínima através do sistema. Tipicamente, a pressão deinjeção de vapor no injetor 16 fica na faixa de 1-2 bar, e a pressão no esca-pamento 21 fica na faixa de 0,2-0,5 bar (como um resultado da fricção gás-grânulo). O escapamento 21 é bombeado pelo efeito de um trocador de ca-lor, condensador ou bomba mecânica 29 ou uma combinação destes, demodo que a pressão de gás de escape se eleve até > 1 bar absoluto paraexcluir um influxo ou ar dentro do sistema no escapamento. De forma alter-nativa, a pressão de vapor na injeção pode ser elevada, de modo que apressão no escapamento exceda 1 bar absoluto. A pressão de vapor supe-raquecido no misturador 14 é maior que no injetor 16, para proporcionar apressão requerida para elevar a matéria-prima através do reator 10 pelotransportador pneumático 15.

As pressões de gás no reator 10 causam impacto na eficiênciade diversas maneiras. Em primeiro lugar, é vantajoso que a pressão no inje-tor 16, onde o gás é vapor, seja relativamente alta, de modo que a ação ca-talítica do vapor seja otimizada e a pressão seja suficiente para ajudar a manter o fluxo de grânulos e gases na hélice 18. Em segundo lugar, a fim deminimizar o efeito deletério da reação de retorno, a pressão do gás próximaao escapamento 21 deve ser, de preferência, relativamente baixa a fim deminimizar o efeito da reação de retorno. A alta fricção gás-grânulo induzidapelas forças centrífugas dos grânulos causa uma queda de pressão no rea- tor 10, de modo que este perfil de pressão benéfico possa ser maximizado.

O separador gás-grânulo 19 tem, de preferência, ao somenteuma alta eficiência de coleta dos grânulos, mas também coleta os grânulosmenores produzidos por decrepitação. De maneira típica, este sistema terácerca de 100% de eficiência para todos os grânulos maiores que cerca de 5 mícrons.

As taxas de fluxo do vapor superaquecido são ajustadas de mo-do que maximizem o grau de calcinação. Na figura 1, o vapor se move namesma direção que os grânulos, de modo que o vapor tenha o máximo im-pacto sobre a taxa de reação na parte superior do reator 10 e este efeito di- minui através do reator 10 à medida que o vapor é diluído pelos gases dereação e quedas de pressão como um resultado da fricção ao longo do tubo17.

Sob condições onde o efeito da reação de retorno pode ser demodo que o reator calcine o material até 50% de conclusão, um sistema de reator em múltiplos estágios pode ser usada em uma modalidade de exem-plo diferente. Com referência à figura 2, em um sistema de reator em doisestágios 200, os grânulos, que foram separados do vapor e os gases de re-ação em um primeiro separador 202 de uma primeira câmara de reator 204,são injetados em uma segunda câmara de reator de estágio 206, com vaporsuperaquecido sem uso prévio injetado no injetor 208, onde a reação pros-segue até 90% de conclusão na segunda câmara de reator 206. Estabelece-se bem que a taxa da reação de calcinação diminui à medida que a conver-são aumenta porque a zona de reação, profunda dentro do grânulo, diminuiem área de superfície. Isto é compensado neste projeto de reator aumen-tando-se a temperatura próxima à saída dos grânulos. Em alguns casos, umgrau final de reação de cerca de 98% pode ser obtido através do aquecimen-to dos grânulos em um primeiro tremonha 210 para atuar como um reator decompensação que usa fonte de calor 212, e bombear o primeiro tremonha210 com bomba mecânica 214, de modo que a reação de retorno seja su-primida. O período de residência neste compensador deve ser mantido tãobaixo quanto possível para reduzir o efeito de sintetização. Isto também en-fatiza a importância de ser preferivelmente capaz de controlar a distribuiçãode temperatura ao longo do reator. Os grânulos de produto são, então, cole-tados em um tremonha final 216, e são rapidamente resfriados usando otrocador de calor 218.

Voltando à figura 1, o preaquecimento da matéria-prima 11 notremonha 12 através de um trocador de calor 27 e a injeção de algum vaporsuperaquecido 28 pode remover o ar arrastado na matéria-prima 11. Destemodo, o gás de escape 21 compreende principalmente o gás de reação, tipi-camente, dióxido de carbono, assim como o vapor superaquecido. O con-densador 29 remove o vapor superaquecido do gás, purifica o gás para re-mover a poeira arrastada e o enxofre nocivo que contém os gases emitidos apartir da matéria-prima 11 e bombeia o gás de escape 21. Alternativamente,a poeira é removida e capturada antes do condensador. O gás residual ésubstancialmente dióxido de carbono puro que pode ser comprimido e arma-zenado para uso, incluindo processos de captura de carbono, tal como sequestro.

Este processo implementado na modalidade descrita se livra doalto custo tipicamente associado aos processos de separação de dióxido decarbono a partir de um calcinador baseado em combustão, que contém ni-trogênio, oxigênio não queimado e vapor superaquecido. Este recurso captu-ra de carbono fornece para este processo de calcinação um de seus recur-sos de diferenciação preferíveis comparado com a calcinação convencional.

Os custos de etapas subsequentes, tais como compressão e seqüestro, sãocomuns para a maioria das abordagens de captura de carbono.

A temperatura dos grânulos durante tal transporte é mantida, depreferência, suficientemente baixa para assegurar que tanto a reação decalcinação catalisada por vapor como a sintetização por calor de vapor sãominimizadas, e a adsorção de vapor maximizada, enquanto a temperaturade vapor é mantida, de preferência, suficientemente alta, de modo que o va-por não condense.

A temperatura das paredes de calcinador é mantida na tempera-tura de calcinação através do aquecimento da parede externa do tubo reator17. Quando múltiplas câmaras de reator são usadas, as temperaturas mé-dias para cada câmara podem ser diferentes e cada câmara pode operarcom um gradiente de temperatura. Existem diversos meios para atingir oaquecimento externo, sendo que o projeto de sistemas aquecimento é co-nhecido na técnica. A hélice 18 proporciona uma área de superfície externagrande e o controle da temperatura pode proporcionar o sistema com umacarga térmica uniforme. É preferível que a carga térmica seja menor quecerca de 50 kW m"2. Onde o aquecimento sem chama é usado, a supressãode pirólise pode ser obtida alimentando-se uma parte do escapamento decalcinador dentro do combustível no sistema de aquecimento externo 24 a-través de uma conexão de cano 31 acoplada ao escapamento 21, para con-trolar a taxa de produção de calor.

Por exemplo, é freqüentemente desejável que a temperaturapróxima à base do reator calcinador 10 seja maior que na parte superior.Próxima ao injetor 16, a pressão parcial de CO2 é pequena, e a taxa de rea-ção é mais rápida que na base, de modo que a carga térmica constante, atemperatura na parte superior possa ser mais baixa que na base. Isto podeser atingido pela injeção do combustível próxima à base, de modo o fluxo degás no sistema de aquecedor externo 24 fique em contra-fluxo com o fluxode gás e sólidos no tubo 17. Em outro sistema de exemplo, o calor é eletri-camente produzido aplicando-se uma voltagem entre uma parte superior euma parte inferior do tubo 17 com uma corrente fornecida para aquecer otubo reator 17 através de uma resistividade elétrica. Em outro sistema deexemplo, o calor é produzido por queimadores ordenados ao redor da super-fície externa do tubo 17 a fim de produzir a distribuição de temperatura dese-jada ao longo do tubo reator 17. Em outro sistema de exemplo, o calor éproporcionado por um trocador de calor a partir de um fluido de troca de ca-lor, tal como dióxido de carbono comprimido. Em outro exemplo, o oxigênio éusado em vez do ar. Uma combinação de tais sistemas pode ser usada.

O tubo reator 17 é ilustrado como um tubo com corte transversalcircular. Entretanto, outros formatos podem ser usados. Por exemplo, umtubo com um corte transversal quadrado ou retangular tem uma área de su-perfície maior para o mesmo corte transversal e proporciona uma maior faci-lidade de unir os enrolamentos da hélice uns aos outros para produzir umacoluna central isenta de vazamento 20. Se a hélice 18 for formada dobrando-se uma estrutura, então, o corte transversal do formado curvo sra geralmen-te deformado. Tais estruturas têm um coeficiente de transferência de calor mais alto não somente devido à área mais alta, mas também devido aos ga-ses terem, em particular, turbulência aumentada, portanto, transferência decalor. Um alto raio de flexão para a razão de diâmetro de cano é preferido,porém o projeto pode acomodar uma razão que permita a flexão a quente oufrio de canos padrões. Alternativamente, onde o material poroso é usado na implementação do sistema de aquecimento 24, o tubo ou tubos podem sermoldados dentro do material poroso. Similarmente, um ou mais reatores degás-partícula, a coluna central e o transportador 15 podem ser moldadosdentro do material poroso.

A massa do reator 10 é relativamente pequena, de modo que otempo de resposta térmica seja rápido comparado com os calcinadores exis-tentes. A massa é determinada principalmente pelo comprimento e espessu-ra do tubo 17. Embora a espessura do tubo 17 seja tão pequena quantopossível, de preferência, suficientemente espessa que o atrito causado pelainteração com os grânulos pode ser tolerado. Deste modo, as condições deprocesso podem ser ajustadas quase instantaneamente, a fim de encontra-rem as variações na matéria-prima 11, tais como as variações na área desuperfície e porosidade, ou as especificações de produto calcinado. O curtoperíodo de residência permite que a medição dos produtos seja retroinfor-mada para os parâmetros de processo manterem as especificações de pro-duto especificado em resposta às variações na matéria-prima 11 e outrosparâmetros. Isto pode se manifestar relaxando as especificações das rochase adicionando uma tolerância para a variabilidade nas rochas aceitáveis paracalcinação. Para ajudar em tal controle, os sistemas de medição, tais comosistemas de análise de raios X podem sem usados para medir as proprieda-des dos produtos calcinados em tempo real e o CO2 produzido pode ser u-sado para monitorar as operações de calcinador totais. Este recurso de res-posta rápida exemplifica a flexibilidade da t modalidade descrita para lidarcom os problemas práticos no processamento de minerais.

Outro atributo preferido do material de tubo 17 é que este tem,de preferência, uma emissividade tão alta quanto possível porque um dosprincipais contribuidores para a transferência de calor ser aquecimento ra-diativo. Para o aquecimento radiativo ser dominante, a emissividade dosgrânulos também é, de preferência, alta. A maioria dos minerais de carbona-to tem uma alta emissividade.

O reator 10 pode ser mantido em uma condição prontidão naqual a matéria-prima 10 é desligada, e o fluxo de vapor superaquecido 13reduzido. A matéria-prima estacionária 11 no tremonha 12 pode ser mantidaem uma temperatura suficientemente alta através do trocador de calor (nãomostrado) para permitir um processo de recomeço rápido a partir deste mo-do de prontidão. A capacidade de prontidão permite que o reator 10 sejalimpo e inspecionado com tempo de paralisação mínimo. Quando usado cominúmeros reatores conforme descrito abaixo, por exemplo, no módulo calci-nador com múltiplos gargalos, esta capacidade permite que qualquer combi-nação de reatores seja operacional e as outras em prontidão ou desligadas.Na modalidade descrita, as taxas de fluxo de vapor superaque-cido e a temperatura do vapor superaquecido em cada segmento de reator ea pressão de vapor superaquecido, podem ser usadas para compensar odesempenho do reator para proporcionar o grau desejado de conversão.

Com relação ao gerenciamento de energia, o reator descrito éum projeto recuperativo no qual o calor contido nos gases na parte superiordo reator 10 e o calor extraído da matéria-prima calcinada no tremonha 23são usados para aquecer a matéria-prima 11, secar as rochas e aquecer aágua para as caldeiras, etc. O gerenciamento do calor em tais sistemas éentendido na técnica para atingir a eficiência máxima. O aquecimento damatéria-prima 11 através dos gases de escape é praticado nos calcinadoresexistentes, enquanto as condições de operação desejáveis do condensadore do compressor, o meio de secagem, trituração e moagem das rochas emmatéria-prima e a operação do superaquecedor para a máxima eficiênciasão processos industriais entendidos que, quando praticados, permitem queo reator descrito opere em uma eficiência térmica comparável ou melhor queos calcinadores convencionais. Para um produto comparável do materialcalcinado moído, a única etapa que tem um custo de energia marginalmentemaior que o do calcinadores existentes é a trituração da matéria-prima por-que o custo de energia por tonelada do produto é mais alto, em torno de 0,2GJ tonelada"1 devido à redução de massa após a calcinação. A energia gas-ta pelo vapor para empurrar os grânulos para cima no Injetor 16, através dahélice 18 e dos trocadores de calor é relativamente pequena.

A flexibilidade do projeto de reator descrito é tal que a operaçãopode ser combinada para se adaptar à disponibilidade de fontes de energia.Por exemplo, a energia para o fluido de troca de calor e o vapor superaque-cido pode ser fornecida a partir de outras fontes que incluem, mas não selimita a, aquelas provenientes de estações de energia que usam o vapor pa-ra as turbinas, e provenientes de concentradores solares que geram vaporde alta pressão em diversas temperaturas, algumas em excesso de 6009C,dependendo do meio de coleta solar e vapor geotérmico. Estas fontes po-dem ser usadas, assim como energia elétrica, combustão de carvão e gásetc, dependendo da disponibilidade, preço e impacto ambiental. Existe umrequerimento aumentado para que os processos industriais sejam adaptá-veis para adequar as condições locais nas quais uma usina opera, incluindoo acesso a fontes de energia e o projeto descrito atender ao requisito.

A altura do reator calcinador 10 pode ser, por exemplo, cerca de9-40 metros, para fornecer um período de residência suficiente para que osgrânulos reajam no grau desejado (dito 98%) sob as condições de taxas dealimentação de matéria-prima e vapor superaquecido, suas temperaturas,etc. Este comprimento de reator total pode ser separado em segmentos dereator e separadores de grânulo de gás associados se requeridos e confor-me descritos acima. O produto calcinado tem uma alta reatividade porque operíodo de residência é suficientemente curto e a temperatura de calcinaçãosuficientemente baixa, de modo que o processo de tempera, que ocorre namaioria dos calcinadores, não tem tempo de progredir. Ou seja, o produto éaltamente reativo. O reator calcinador 10 é circundado por um isolamentotérmico 25, na modalidade descrita que compreende uma abertura de ar nosistema de aquecimento externo 24 e uma camada externa 26 de isolamentotérmico sólido. A espessura do isolamento térmico sólido 26 e a eficiência deisolamento são escolhidas de modo que a perda de calor no ar seja minimi-zada. Os defletores de radiação também podem ser distribuídos. O reatorcalcinador 10 ou partes do mesmo também podem ser vibrados ou girados,a fim de eliminar o acúmulo de grânulos nas superfícies, utilizando meca-nismos entendidos proporcionados por uma unidade de vibração ou rotação35 acoplada no reator calcinador 10,

A eficiência do reator 10 se encontra, de preferência, entre ou-tros, em um ou mais exemplos:

(a) o uso de vapor para catalisar a reação, de modo que a rea-ção possa ser concluída em um passo;

(b) o uso de vapor para injetar os grânulos no reator 10 e moveros grânulos através do reator (e posteriormente auxiliado pelos gases dereação);

(c) o uso de um tubo reator 17 (selecionado a partir de uma di-versidade de formatos) com um diâmetro em que a velocidade de escapedos gases fica entre 20 e 50 m s'1;

(d) o uso de uma hélice 18 do tubo reator 17 para limitar a acele-ração dos grânulos através do reator 10 e do gás para proporcionar um sis-tema de reator compacto com o período de residência grânulo desejado,uma transferência de calor rápida entre os grânulos e o gás e uma área su-perfície alta para a transferência de calor para os grânulos;

(e) o uso da hélice 18 para proporcionar o movimento centrífugoque facilita a separação dos grânulos dos gases no separador gás-grânulo19.

(f) o uso da hélice 18 para induzir uma queda de pressão atravésdo reator 10, de modo que a pressão de injeção por vapor no injetor 16 sejaalta, a fim de promover a ação catalítica de vapor e a pressão do gás na saí-da 21 seja baixa, a fim de limitar a pressão parcial do dióxido de carbono esuprimir o efeito da reação de retorno.

(g) a separação dos gases dos grânulos em inúmeros estágiosdurante a reação que usa os segmentos de reator em série, a fim de reduziro efeito da reação de retorno, permitindo uma redução na temperatura decalcinador.

(h) a disposição de co-fluxo do gás e dos grânulos dentro do rea-tor 10 para suportar um sistema de reator estável.

(i) um contra-fluxo dos gases de combustão no sistema de a-quecimento externo 24 no fluxo de gás e grânulo no tubo 17 para atingir adistribuição de temperatura desejada no reator calcinador 10,

(j) a injeção de uma fração da saída de gás do calcinador dentrodo sistema de aquecimento externo 24 para limitar a produção de carbonono processo de combustão.

(k) o uso de oxigênio em vez de ar como um gás de combustão,ou o uso de uma cerâmica dentro do sistema de aquecimento externo paraseparar o nitrogênio e o oxigênio.

A operação do reator calcinador 10 pode ser entendida atravésdo exemplo de calcinação de calcário, para a qual os dados de termodinâmi-cos e cinéticos importantes encontram-se disponíveis. Khinast et al, ChemEng Sei, 51, 623-634 (1996), estudaram a reação de calcinação para grânu-Ios com diâmetro d < 100 mícrons a 780°C, sem vapor superaquecido. Elesdescobriram que a taxa de reação irreversível para uma área superfície deS{x) depende da pressão parcial CO2 ρ (com pressão total de 1 atm) foi mo-delada pela equação:

<formula>formula see original document page 27</formula>

onde po é a pressão de dióxido de carbono de equilíbrio determinada a partirda constante de equilíbrio Kp - (1-x)/x p/p0, onde χ é o grau de conversão damatéria-prima. A área de superfície de grânulo S(x) se desenvolve durante areação, e Khinast et al demonstraram que seus resultados podem ser mode-lados por uma distribuição de poro aleatória que se desenvolve como:

<formula>formula see original document page 27</formula>

onde S0 é a área de superfície BET em m2/kmol"1. Para calcário,S0 é - 2,105 m2 kmol"1. O tempo de reação, kA(0)'1, sem catálise de vaporsuperaquecido, é 50 segundos a 780QC, com p=0 (isto é, o arrefecimentosendo suprimido por uma baixa concentração de dióxido de carbono), consi-derando que o período de residência em um forno convencional seja de mui-tas horas.

A redução exponencial da taxa de reação anterior com ρ de-monstra que a taxa anterior é rapidamente arrefecida por dióxido de carbo-no. Este grande efeito que representa um desafio na calcinação de carbona-tos, em geral, especialmente quando os materiais de carbonato são circun-dados por dióxido de carbono proveniente dos gases de combustão. Istorequer que os calcinadores operem em altas temperaturas de modo que po > P.

O processo químico para a calcinação seguirá geralmente umaforma de Arrhenius fornecida por,

<formula>formula see original document page 27</formula>

onde Ea é a energia de ativação e R é a constante de gás. A e-nergia de ativação EA foi determinada por Wang e Thompson, Chem EngSei, 50, 1373-1382 (1995) como 197 kJ mol"1 e por Beruto e Searcy, J.Chem. Soe. Faraday Trans 70, 2145-2153 (1974) como 205 kJ mol'1. Esta secompara com a entalpia de reação de 168 kJ mol"1.

A presença de vapor superaquecido como um catalisador pro-porciona uma via alternativa para a reação. Wang e Thompson usaram grâ-nulos muito pequenos (-1 μ), de modo que o impacto dos processos detransporte de massa fosse minimizado. Eles consideraram as pressões par-ciais de vapor superaquecido < 0,2 atm, e dióxido de carbono a 0,0008 atm,e estudaram o processo na faixa de 440SC a 5609C. Eles mostraram de for-ma experimental que o efeito catalítico do vapor superaquecido eleva a partirda adsorção de moléculas de água na superfície como a primeira etapa, queinduziu um enfraquecimento da ligação de dióxido de carbono ao cálcio atra-vés das moléculas de água adsorvidas como a segunda etapa. A adsorçãode água seguiu a constante de equilíbrio Kads com uma energia de ligaçãoAHads de 1,5 kJ mol"1. Eles observaram que a taxa de reação é significativa-mente aumentada à medida que a pressão parcial de vapor superaquecido éaumentada e eles modelaram este comportamento usando o modelo Lang-muir-Hinshelwood de catálise de superfície, com:

<formula>formula see original document page 28</formula>

onde px é a pressão parcial de vapor superaquecido. Nas pres-sões de vapor superaquecido baixas, a taxa de reação não catalisada kAdomina, considerando que nas pressões de vapor superaquecido suficien-temente altas, onde Kads Px » 1, a taxa de reação catalisada ke domine.Wang e Thompson mediram uma energia de ativação EB para a taxa cons-tante Ka é 247 kJ mol"1, e mostraram que o efeito catalítico torna-se relati-vamente mais pronunciado em temperaturas mais altas (isto é, ke/kA aumen-tam com a temperatura), porém o efeito é parcialmente reduzido na pressãoparcial constante de vapor superaquecido devido à ligação da água com osgrânulos ser reduzida à medida que a temperatura aumenta. Eles extrapola-ram seus resultados em temperaturas mais altas, e mostraram que a razãoke/kA aumenta a partir de 2,0 a 670eC a 14 a 8609C. A rota de catálise temenergia de ativação mais alta que a rota não catalisada, porém entropia deativação muito menor, o que significa um rota de reação mais simples. Osresultados de Wang e Thompson podem ser estendidos aos grânulos maislargos, supondo que a função S(a) se aplique tanto em ke como and Ka. Ouseja, a evolução dos poros é a mesma em ambos os processos.

Os inventores reconheceram que, com base nas descobertasexperimentadas nos respectivos trabalhos mencionados acima, a taxa dereação pode ser reduzida para segundos quando os calcina os grânulos napresença de vapor superaquecido em temperaturas apropriadas para calci-nação. A modalidade descrita foi desenvolvida devido ao reconhecimentodos inventores. Além disso, os inventores observaram que a área de super-fície do grânulo produzida usando a calcinação rápida excede àquela dedu-zida pelo modelo acima (isto é, integrando-se a expressão para S(oc)). Destemodo, as taxas de modelo são uma ligação mais baixa nas taxas esperadas.

As condições de operação preferidas para a modalidade descritado reator calcinador 10 mostrado na figura 1 são listadas na Tabela 1 paracalcário substancialmente puro.

Tabela 1

<table>table see original document page 29</column></row><table><table>table see original document page 30</column></row><table>

Os princípios para as propriedades de reator descritas podemser adequadamente descritos tratando-se o reator calcinador como um rea-tor uniforme no qual as transferências de calor e massa, conforme descritoacima, fornecem uma temperatura de calcinação média Tc como o resultadoda turbulência e da transferência de calor rápida para os grânulos de maté-ria-prima. Nota-se que uma aproximação mais precisa pode ser considerar ocalcinador em cortes para lidar, por exemplo, com a necessidade de queuma taxa mais alta de calor seja fornecida na parte superior do reator 10 doque na base, e ajustar a temperatura de calcinação em cada ponto Tc(z).Entretanto, nos princípios descritos, avalia-se as expressões fornecidas aci-ma são adequadamente proporcionadas, entende-se que Tc(z) é um valormédio nominal.

Nesta aproximação, as quantidades abaixo são medida ao longodo calcinador. Os equilíbrios de massa e energia para o calcinador da figura1 são dados pelo fluxo de calor dQ/dt

<formula>formula see original document page 31</formula>

Nesta expressão U é o coeficiente de transferência de calor apartir do trocador de calor externo em sua temperatura T0 (média) para osgrânulos de matéria-prima na temperatura de calcinação T6 (média), atravésda área de superfície de calcinador A. As temperaturas de injeção dos rea-gentes e vapor superaquecido podem ser ajustadas iguais a T0. U é forneci-do pela expressão

onde hs é o coeficiente de transferência de calor do fluido de ca-lor externo nas bobinas para a parede de calcinador externa, ôr é a espessu-ra de parede e k é a condutividade de calor do material de parede, e hcéocoeficiente de transferência de calor a partir da parede interna até os grânu-los. O coeficiente hc é de particular importância para o processo e é conside-rado abaixo.

Na equação de fluxo de calor, o segundo termo contém o calorconsumido pela reação na temperatura Tc onde Ya é a taxa de matéria-primarate em kg/s e a* é a extensão da reação fornecida por

<formula> formula see orginal document page 31</formula>

onde <kreação (Tc)> é taxa média nominal da reação, e Xres é operíodo de residência de reagentes no calcinador, e AHcaic é a entalpia dereação em J kg"1. O terceiro termo é a alteração de calor dos reagentes queentram no calcinador em temperatura Tin, e são misturados com a tempera-tura de reação T0. O quarto termo é a alteração de calor do vapor supera-quecido que é injetado em uma taxa yvapor na temperatura Ts e sai na tempe-ratura Tc.

A temperatura média de calcinador em estado estacionário, Tc, éa temperatura em que dQ/dt = 0,

Embora este modelo aproximado seja útil para o ensinamentodos princípios do calcinador descrito 10, o mesmo não leva em conta algu-mas propriedades importantes da modalidade descrita. Em primeiro lugar, atemperatura no reator 10 Tc (z) varia muito ao longo do eixo geométrico ver-tical em resposta à taxa de transferência de calor limitada através das pare-des de calcinador. Em segundo lugar, a pressão de gás no reator 10 é man-tida na pressão de vapor superaquecido nominal ps regulando-se o fluxo degases a partir do escapamento 30. O dióxido de carbono produzido na rea-ção aumenta a taxa de fluxo dos gases misturados através do reator 10 parareter esta pressão total, porém a pressão parcial varia ao longo do reator 10.

Deste modo, no injetor 16 o gás é vapor muito superaquecido em pressãopm, embora no escapamento 21 o gás seja uma mistura de vapor supera-quecido e dióxido de carbono liberado, também em ps. Isto afeta o arrefeci-mento da reação e, deste modo, o rendimento.

Se as contribuições menores aumentam a partir dos diferenciaisde temperatura da matéria-prima e o vapor superaquecido é negligenciado,a condição de operação de calcinador é dada por

<formula>formula see original document page 32</formula>

Para a reação completa,

<formula>formula see original document page 32</formula>

de modo que α = 1.

Esta aproximação ajusta essencialmente os parâmetros do pro-jeto da troca de calor entre o fluido de troca de caJor e os grânulos de maté-ria-prima.A transferência de calor é considerada para o Calcinador da Ta-bela 1 com base nos dois segmentos de uma forma mostrada na figura 1.Um tubo com 24 m de comprimento, um diâmetro de 0,30 m é formado comouma hélice com um diâmetro centro a centro de 0,76m com 10 voltas. Quan-do usado para calcinar calcário com taxas de matéria-prima em 1,45 kg s'1,2,6 MW de calor são requeridos para a reação, e isto é proporcionado atra-vés da superfície externa de 25 m2 exposta na fonte de calor. Isto corres-ponde a uma eficiência de transferência de calor de cerca de 100 kW m"2.Na modalidade descrita, o dióxido de carbono essencialmente puro é produ-zido na taxa de 0,44 toneladas de dióxido de carbono por tonelada de calcá-rio, com base nos parâmetros listados na Tabela 1 acima. Em um calcinadorconvencional aquecido através da combustão de LPG em ar, pode existir0,65 tonelada de dióxido de carbono produzidas por tonelada de calcário.Esta pode ser misturada com 0,5 tonelada de nitrogênio do ar requerido paraa combustão, para fornecer uma pressão parcial que é, no máximo, somente45% de dióxido de carbono. Em calcinadores convencionais, este é liberadopara o ambiente e contribui com o aquecimento global. A separação "pós-combustão" destes gases é de interesse considerável na redução de emis-sões de dióxido de carbono, porém os custos das tecnologias atuais são tãoaltos que é impraticável usá-las deste modo. Em contraste, na modalidadedescrita o dióxido de carbono é essencialmente produzido em forma pura, eesta etapa de separação não é requerida. Mesmo se a combustão tiver sidousada para fornecer o calor para a reação de calcinação e as 0,22 toneladade dióxido de carbono por tonelada de calcário processadas forem liberadas,a compressão e "geosequestration" das 0,44 tonelada restantes resultam naredução de emissões de dióxido de carbono proveniente da calcinação em68%.

Será avaliado que o peso do reator calcinador 10 conforme des-crito na modalidade com referência à figura 1 é muito menor em volume epeso do que um forno convencional com o mesmo rendimento porque o pe-ríodo de residência de 1-10 segundos é algumas ordens de magnitude maiscurta do que a de um calcinador convencional. Deste modo, o peso de mate-rial que é tratado no calcinador é da ordem de quilogramas comparada comcentenas de toneladas. A figura de mérito do reator calcinador 10 pode tercerca de 1600 tonelada/h/tonelada de carga, comparada com um calcinadorconvencional de cerca de 0,2 tonelada/h/tonelada de carga.

As eficiências térmicas do reator calcinador descrito 10 depen-dem principalmente das eficiências associadas com a recuperação de calordos produtos e gases de escape para a matéria-prima e o fluido de troca decalor, assim como as perdas de calor das superfícies de reator calcinador.Tal recuperação é amplamente independente do processo de calcinação e a melhor prática pode ser aplicada, considerando as perdas de superfície es-calonadas com as áreas de superfície relativa dos calcinadores. O custo demediação das escalas de perdas de calor de superfície com a área de super-fície de calcinador. O reator calcinador 10 da modalidade descrita tambémtem uma vantagem em termos de custos de manutenção de eficiência térmi-ca. Em um calcinador convencional, o material isolante colocado no interiordo forno, é muito caro, e é submetido a atrito significativo que requer o re-vestimento freqüente do forno, muitas vezes após uma falha catastrófica dorevestimento. Por comparação, o atrito de superfície na modalidade descritaé desprezível, a superfície interna do tubo 17 pode ser de aço inoxidável e oisolante térmico 26 é colocado na parte externa do reator 10 onde o mesmonão é submetido ao atrito ou ataque químico, os detalhes adicionais do iso-lamento são discutidos abaixo.

Na modalidade descrita, as rochas são trituradas antes da calci-nação, considerando que, para um produto equivalente de um calcinadorconvencional, o material processado é triturado após calcinação, quando amassa das rochas tiver sido significativamente reduzida através da reaçãode calcinação. Nas situações em que a dureza das rochas e dos produtoscalcinados é similar, conforme geralmente é o caso, existe um custo de redede energia devido à energia gasta nas escalas de moagem principalmentecom massa. A trituração e a moagem são entendidas na técnica, e o custode energia por tonelada de materiais de moagem, tal como calcário nos ta-manhos de rede usados nesta invenção é de cerca de 0,3-0,4 GJ tonelada"1.Para o calcário, a alteração de massa é de 45%, e a penalidade de energiaé, consequentemente, 0,15-0,2 GJ tonelada"1 de rochas. A energia para tritu-rar os materiais é, entretanto, dependente da matéria-prima e do grau decombustão do material calcinado, de modo que estas são apenas estimati-vas. Esta penalidade precisa ser avaliada contra o calor irredutível da reaçãode 3,18 GJ tonelada"1 para cal, e as perdas térmicas típicas de 0,4 GJ tone-lada"1. Será evidente para as pessoas versadas na técnica que esta penali-dade é marginal e pode ser desviada através dos benefícios demonstráveisdescritos acima. A análise acima é baseada nas figuras de mérito derivadasatravés da comparação da modalidade descrita com os calcinadores con-vencionais. Isto é significativo para a comparação, se os processos descritosno presente documento servirem para fornecer rendimentos comparáveisàqueles dos calcinadores convencionais. Os calcinadores convencionaispodem ter um rendimento de cerca de 30 toneladas h'1, porém tem, maistipicamente, cerca de 20 toneladas h"1. Será avaliador por uma pessoa ver-sada na técnica que as modalidades do tipo descrito no presente documentopodem ser representadas em escala para igualar ou excederem os rendi-mentos de calcinadores convencionais através de escolha de parâmetro deprojeto apropriada com base em análise teórica dos processos de funda-mento, e em conjunto com resultados de processamento experimental ouoperacional.

Os calcinadores existentes são sistemas grandes e pesados quenão são influenciáveis em uma abordagem de módulo como àquela descritaacima com referência à figura 2, para uma modalidade de exemplo da pre-sente invenção. Os calcinadores existentes requerem o revestimento perió-dico do calcinador, que consiste em um processo dispendioso e que conso-me tempo. Em contraste, a abordagem de módulo permite a manutenção derotina e inspeção ocorra de módulo a módulo com interrupção mínima daprodução total, assim como, de reator a reator através da capacidade deprontidão/ligado-desligado. também, os módulos de caícinador de tais moda-lidades de exemplo podem ser remanejados, por exemplo, em novos locaisde escavação, para obterem demandas e oportunidades imediatas.O reator calcinador 10 descrito na figura 1 é, geralmente, maisaplicável em minerais de calcinação diferentes do calcário. Uma ampla de-monstração é que a calcinação é o processo químico que é ativado por calore inclui desidratação, assim como, descarbonização, com ou sem vapor su-peraquecido. Os materiais de partida são, em geral, carbonatos, porém hi-dróxidos também calcinam em óxidos e os materiais hidratados são desidra-tados. Em muitas reações químicas (diferentes da desidratação), é muitoprovável que o vapor superaquecido auxilie a maior parte de tais processosdevido ao fato de a molécula de água ser um Iigante lábil bem estabelecido para quase todos os íons metálicos e, portanto, as intermediações químicasque envolvem água podem ser engendradas pela presença de vapor supe-raquecido. Mesmo onde não ocorrer a catálise, podem existir vantagens emusar o processo das modalidades descritas em que papel do vapor supera-quecido ou de outros gases injetados é promover, principalmente a transfe- rência de calor para os grânulos. Ou seja, geralmente, a moagem fina damatéria-prima irá remover o impacto de processo de transferência de calor etransferência de massa de decomposição e aprimorar a etapa de reaçãoquímica. As condições de operação do reator calcinador 10 descritas podemser prontamente adaptadas em qualquer processo de calcinação em que a calcinação pode ser acomodada dentro do período de residência de matéria-prima que passa através do sistema. As modalidades descritas podem seraplicadas ao processamento de magnesita, dolomita e calcário com as se-guintes condições de processo principalmente relacionadas com a tempera-tura de calcinação.

Quando a temperatura de calcinação é ajustada entre cerca de850SC a 9509C para uma taxa de injeção de matéria-prima de cerca de 1,4kg s"1 com a pressão de gás mantida entre cerca de 0,2 e 3 atm e uma taxade injeção de vapor superaquecido entre cerca de 0,5 e 0,05 kg s'1 calcá-rio/calcita (CaCO3) calcina em cal (CaO), a dolomita (CaCO3-MgCO3) calcinaem produto completamente calcinado CaO-MgO e a magnesita (MgCO3)calcina em oxido de magnésio (MgO). O requerimento de temperatura é de-terminado pelo arrefecimento da taxa de calcinação por dióxido de carbono.Quando a temperatura externa do reator é mantida em mantidoem cerca de 500-650°C, para uma taxa de injeção de matéria-prima de cer-ca de 1,4 kg s-1 e uma pressão de gás mantida entre cerca de 0,2 e 3 atm euma taxa de injeção de vapor superaquecido entre cerca de 0,5 e 0,05 kg s-1, a magnesita e a dolomita são calcinadas.

Quando a temperatura de calcinação é ajustada entre cerca de450° e 550°C, o calcário não é calcinado e a magnesita calcina em óxido demagnésio.

Para calcinar materiais hidratados, a temperatura externa doreator é mantida em cerca de 200-400°C para uma taxa de injeção de maté-ria-prima de cerca de 1 kg s-1, a pressão de gás é mantida entre cerca de 0,2e 3 atm e uma taxa de injeção de gás não reativo entre cerca de 0,5 e 0,05kg S-1.

A faixa de temperaturas explica a presença de impurezas en-capsuladas, tal como sílica, nas rochas que geralmente aumentam a tempe-ratura de calcinação referida acima daquela das rochas puras.

Somente quanto ao processamento de calcário, a temperaturade calcinação para o processamento de magnesita é uns 502C mais baixaque aquela usada para a calcinação convencional. A ação catalítica de vaporsuperaquecido é uma propriedade mais geral para calcinar materiais.

Entende-se que a composição de minerais varia dependendonão somente, da área de um local que é escavado, mas também de regiõesgeológicas diferentes. Para confirmar a suficiência de um período de resi-dência curto sob catálise de vapor superaquecido (isto é, da ordem de 1 a 10segundos), um calcinador de teste foi construído para processamento emlote. Os lotes de grânulos entre 0,2 e 2 kg foram pesados e, então, calcina-dos em um único passo com um período de residência de cerca de 3 segun-dos sob as condições de catálise de vapor superaquecido para cada lote.Um minério de magnesita proveniente da China analisado em 97% de Mg-CO3 foi moído em um tamanho médio de 125 mícrons e uma peneira comum tamanho de rede de 230 mícrons foi usado pára remover os grânulosdimensionados a partir da distribuição e para preparar cargas de 700 gm. Odióxido de carbono disponível a partir desta carga foi de 354 gm. As execu-ções de teste foram conduzidas com 1 atm de vapor superaquecido a 485°Ce uma temperatura de parede câmara de reator média de 484°C. A partir daperda de peso medida, a conversão foi calculada. A perda de dióxido decarbono foi confirmada por análise química. Uma conversão de magnesitaem magnésia de até 97% foi obtida nestes testes.

A reatividade dos materiais produzidos pela calcinação de vaporsuperaquecido no reator descrito 10 é muito alta, conforme evidenciada pelataxa de hidratação do produto comparada com os materiais produzidos pormeio convencional. Isto ocorre porque o material perde seu peso mais rapi-damente do que a estrutura pode sintetizar para reduzir sua energia de su-perfície livre. Deste modo, em alguns segundos transita através do reator 10,a massa de matéria-prima 11 é muito esgotada e existe um acúmulo depressão em quaisquer áreas do grânulo que podem, de outro modo, tender ase vedarem, conforme evidenciado pelo decrepitação que pode resultar domaterial. Deste modo, os materiais têm uma área de superfície muito alta e,assim, uma alta reatividade. Em alguns casos, a reatividade é adicionalmen-te aumentada pela presença de defeitos químicos no material que forma oscentros de reação. Ou seja, a rápida calcinação produz materiais com maiscentros de defeito, assim como uma área de superfície alta comparada coma calcinação convencional, Se um material menos reativo for requerido, sa-be-se que os materiais podem ser rapidamente sintetizados em uma atmos-fera de dióxido de carbono e vapor superaquecido em alta temperatura. Emreações de muita demanda, tal absorção regenerável, é conhecida pelo fatode que um superabsorvente pode ser formado através da fabricação de ma-teriais que têm uma área de superfície mesoporosa alta. Os mesoporos sãomenos propensos a obstrução de poro comparada com os microporos e,então, a eficiência da rápida absorção é aumentada. Por exemplo, os grânu-Ios de calcário calcinados têm um rendimento de recarbonatação de 30%comparados com cerca de 90% para um material mesoporoso. Os materiaisproduzidos pelo reator descrito 10 são geralmente mesoporosos e atuamcomo superabsorventes.A figura 3 mostra um desenho de CAD de uma vista em cortetransversal isométrico de um reator calcinador 300, de acordo com uma mo-dalidade de exemplo.

A figura 4 mostra a CAD um desenho de CAD de uma vista emcorte transversal isométrico de um reator calcinador em dois estágios 400,de acordo com uma modalidade de exemplo.

A figura 5 mostra um fluxograma 500 que ilustra um método paraa calcinação de minerais, de acordo com uma modalidade de exemplo. Naetapa 502, os grânulos de uma matéria-prima são movidos através de umsegmento de reator verticalmente disposto em um fluxo granular sob pelomenos um entre um grupo que consiste em uma força de vapor, uma forçagravitacional e uma força centrífuga. Na etapa 504, as forças horizontais fo-ram conferidas nas partículas que passam através do segmento de reatorem uma direção vertical. Na etapa 506, o calor é fornecido para os grânulosque fluem dentro do segmento de reator através da transferência de calor daparede do segmento de reator. Na etapa 508, um gás superaquecido é in-troduzido no segmento de reator para criar condições de um sistema multifá-sico gás-sólido. Na etapa 510, os produtos de gás são lavados pelo menosparcialmente a partir do segmento de reator sob o fluxo do gás superaquecido.

O processo/método e aparelho descritos para calcinar têm mui-tas vantagens que incluem:

- Reduzir substancialmente as emissões de dióxido de carbonoproveniente da calcinação de carbonatos comparada com os calcinadoresconvencionais produzindo-se essencialmente dióxido de carbono puro a par-tir da etapa de calcinação, permitindo que um meio custo eficaz aumente acaptura de carbono em pelo menos cerca de 68% das emissões totais pro-duzidas usando os combustíveis convencionais, tal como LPG para combus-tão. Este dióxido de carbono substancialmente puro pode ser comprimido eusado em outros processos industriais ou permanentemente capturado porseqüestro, sem a necessidade da etapa de processo dispendiosa de sepa-ração de gases conforme seria requerida para a captura de carbono prove-niente de calcinadores convencionais. Ademais, o processo de calcinaçãopode usar o calor gerado a partir de uma diversidade de fontes diferentes dacombustão, incluindo o uso de vapor gerado a partir de um concentradorsolar ou de uma usina de energia. Em princípio, o processo pode operar comnenhuma emissão de dióxido de carbono através da combinação de uso defontes de energia alternativas para aquecimento e seqüestro do dióxido decarbono puro produzido por calcinação.

- Reduzir o período de residência de matéria-prima no calcinadorna ordem de segundos comparada com horas para o calcinador convencio-nal que opera a cerca de 1000°C através de um reator no qual o tempo detrânsito de um grânulo matéria-prima médio através do reator é de algunssegundos como um resultado do fluxo granular e o uso de vapor superaque-cido como um catalisador e matéria-prima finamente moída que aumenta ataxa de reação de modo que a reação de calcinação ocorra no grau deseja-do dentro deste tempo de trânsito. Isto reduz o tamanho e o custo capital deum calcinador.

- Reduzir o efeito deletério do arrefecimento da reação por dióxi-do de carbono quando calcinar carbonates, o que limita os calcinadores con-vencionais que são aquecidos por combustão dentro do forno, separando-seos processos de geração de calor da calcinação ao usar uma fonte de calorexterna e fazer uso da transferência de calor eficiente para os grânulos dematéria-prima que resultam do aquecimento radiativo direto dos grânulos e oaquecimento indireto do fluxo turbulento do gás na superfície de calcinador ea transferência de calor eficiente a partir do gás para o grânulo em virtude dafricção do fluxo granular com o gás.

- Reduzir a temperatura de calcinação a partir daquela requeridapor calcinadores convencionais, conforme mostrado pela calcinação de cal-cário a cerca 925°C comparada com 960-1100°C para a maioria dos calci-nadores, ao se aproveitar da taxa de reação rápida e lavar o dióxido de car-bono proveniente do calcinador através do vapor superaquecido e dos sepa-radores.

- Reduzir o tempo de resposta do calcinador, de modo que sejada ordem de segundos a minutes, de modo que as condições de processopossam ser ajustadas quase instantaneamente para se obter as variaçõesna matéria-prima ou as especificações de produto calcinado; e permitir ummodo de prontidão a partir do qual o processamento pode começar quaseinstantaneamente e permitir que o sistema ligue e desligue rapidamente comatrasos e perdas de matéria-prima mínimos. As últimas perdas podem ser daordem de quilogramas, comparadas com tais tempos em um calcinador con-vencional no qual as escalas de tempo são horas e as perdas de produtosão dezenas de toneladas.

- Produzir produtos calcinados altamente reativos através do usode um projeto de calcinador no qual o período de residência é curto compa-rado com o tempo para induzir a têmpera dos produtos, comparado com oscalcinadores convencionais em que a reatividade de produto é reduzida pelatêmpera dos produtos devido ao período de residência mais longo. O méto-do pode produzir, por exemplo, cais superabsorventes a partir de calcário emagnesita superabsorventes de magnésia em uma única etapa.

- Exibir pequeno atrito das paredes de calcinador ao operaremsob uma condição na qual a fração de volume de matéria-prima no reator épequena, de modo que o mecanismo de atrito de calcinadores convencio-nais a partir da carga não seja aplicável.

Será avaliado por uma pessoa versada na técnica que inúmerasvariações e/ou modificações podem ser feitas na presente invenção, con-forme mostrado nas modalidades específicas, sem sair do espírito ou esco-po da invenção, conforme amplamente descrito. As presentes modalidadesdevem, portanto, ser consideradas em todos os aspectos como ilustrativas enão restritivas.

Claims

1. Sistema de calcinação de minerais, sistema que compreende:um segmento de reator verticalmente disposto configurado para transmitirforças horizontais em partículas que passam através da câmara do reatorem uma direção vertical; uma unidade injetora para receber matéria-primagranular, a unidade injetora sendo disposta em porção superior do segmentode reator, através do qual os grânulos de matéria-prima se movem atravésdo segmento de reator em um fluxo granular sob pelo menos um dentre umgrupo consistindo em uma força de vapor, força gravitacional e uma forçacentrífuga; uma unidade de troca de calor do reator acoplado a uma paredeunidade do segmento de reator para fornecer calor aos grânulos que fluemdentro do segmento de reator através de transferência de calor através dasparedes da câmara do reator; uma ou mais entradas formadas no segmentode reator para introduzir um gás superaquecido no segmento de reator paracriar condições de um sistema polifásico de gás-sólido; e uma ou mais aber-turas de exaustão formadas no segmento de reator de tal maneira que pro-dutos de gás que sejam pelo menos parcialmente descarregados do seg-mento de reator sob o fluxo de gás superaquecido a partir das entradas paraas aberturas de escape.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que segmentode reator compreende uma ou mais câmaras de reator, e um ou mais sepa-radores gás-grânulo acoplados às câmaras de reatores que utilizam um tur-bilhão um formado a partir da passagem do material através da câmara doreator para separar os produtos de gás dos grânulos.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, que compreendeainda duas ou mais câmaras reator e respectivos separadores gás-grânuloligadas em série, de tal maneira que o material processado a partir de umacâmara de reator coletado utilizando o separador gás-grânulo acoplado auma câmara de reator são alimentadas para dentro de câmara de reator ecoletadas, após processamento adicional na outra câmara de reator, utili-zando o separador gás-grânulo acoplado à outra câmara de reator.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 3, em que pelo menosum dos separadores gás-grânulo compreende uma unidade de aquecimentopara aquecer o material coletado para proporcionar uma funcionalidade dereator de acabamento.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, em que pelo menoso separador gás-grânulo acoplado a uma câmara de reator ainda compreen-de uma unidade de bombeamento para bombear o material coletado duranteo aquecimento para eliminar uma realimentação.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o seg-mento de reator compreende uma pluralidade de câmaras de reator acopla-das a um separador de partículas.

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a6, em que a unidade de troca de calor do reator utiliza aquecimento distribu-ído sem chama, e pelo menos uma das aberturas de exaustão é acoplada àunidade de troca de calor do reator dirigir uma porção dos produtos de gásem combustível para o aquecimento distribuído sem chama dé modo a facili-tar a supressão de pirólise.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a7, em que o segmento de reator compreende um ou mais tubos lineares co-mo câmaras de reator e um ou mais separadores de partículas de gás, osseparadores de gás transmitindo as forças horizontais sobre as partículas.

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a8, em que o segmento de reator compreende um ou mais tubos espirais,respectivamente formados em uma espiral como câmaras de reator.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, em que as aberturasde exaustão compreendem uma coluna central formada dentro de uma circun-ferência interna do tubo em espiral, por meio do qual o sistema apresenta umcontra fluxo de produtos de gás com relação aos grânulos no tubo em espiral.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, ainda compre-endendo um tubo transportador acoplado ao injetor e disposto dentro da co-luna central, para transportar os grânulos de uma base do segmento do rea-tor para o injetor.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, em que os grâ-nulos são transportados através do tubo transportador sob a força do gássuperaquecido, por meio do que o injetor funciona como a ou uma das en-tradas para introduzir o gás superaquecido no tubo em espiral.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, em que aunidade de troca de calor do reator compreende uma unidade porosa deaquecimento distribuído sem chama, e um ou mais de um grupo consistindoem uma câmara de reator, o separador de grânulo de gás, a coluna central eo tubo transportador são moldados na unidade porosa de aquecimento dis-tribuído sem chama.

14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 13, em que o tempo de residência dos grânulos no segmento do reator émenor do que cerca de 10 segundos.

15. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 14, em que os grânulos têm uma distribuição de tamanho entre 40 mícronsa cerca de 250 mícrons.

16. Método para a queima de minerais compreendendo as eta-pas de: mover grânulos de uma matéria bruta através de um segmento dereator disposto verticalmente em um fluxo granular sob pelo menos um deum grupo consistindo em um força de vapor, força gravitacional, e uma forçacentrífuga; forças horizontais transmitidas sobre as partículas que passamatravés do segmento de reator numa direção vertical; prover calor aos grâ-nulos que fluem dentro do segmento de reator por meio de transferência decalor através da parede do segmento de reator; introduzir o gás superaque-cido no segmento de reator para criar condições de um sistema multifásicogás-sólido; e fazer fluir produtos, de gás pelo menos parcialmente do seg-mento de reator sob o fluxo do gás superaquecido.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, ainda compreen-dendo separar os produtos de gás dos grânulos utilizando um vórtice forma-do a partir da passagem do material através da câmara do reator.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, ainda compreen-dendo abastecer material processado a partir de uma câmara do segmentode reator para dentro de uma outra câmara do reator do segmento de reator.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, ainda compreen-dendo o aquecimento do material coletado para prover o ajuste de funciona-Iidade do reator.

20. Método de acordo a reivindicação 19, adicionalmente com-preendendo bombear o material coletado durante o dito aquecimento parasuprimir uma contra reação.

21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 16a 20, compreendendo utilizar uma unidade de aquecimento distribuído semchama para aquecer a parede da câmara do reator, e direcionar uma partedos produtos do gás no combustível para a unidade de aquecimento parafacilitar a supressão da pirólise.

22. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 16a 21, em que o segmento do reator compreende um ou vários tubos linearescomo câmaras do reator e um ou vários separadores de partícula de gás, osseparadores de gás transmitindo forças horizontais sobre as partículas.

23. Método de acordo qualquer uma das reivindicações 16 a 21, em que o segmento do reator compreende uns ou vários tubos espirais res-pectivamente formados em uma hélice como câmaras do reator.

24. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 16a 23, compreendendo adicionalmente transportar pneumaticamente os grâ-nulos para uma parte superior da câmara do reator.

25. Método de acordo com a reivindicação 24, em que a unidadede troca de calor do reator compreende uma unidade porosa de aquecimen-to distribuído sem chama, e uma ou várias de um grupo que consiste nacâmara do reator, no separador de grânulo de gás e em um tubo de trans-porte para transportar os grânulos são moldados na unidade porosa de a-quecimento distribuído sem chama.

26. Método de acordo qualquer uma das reivindicações 16 a 25,em que o tempo de residência dos grânulos no segmento do reator é menosdo que aproximadamente 10 segundos.

27. Método de acordo qualquer uma das reivindicações 16 a 26,em que os grânulos têm uma distribuição de tamanho entre aproximadamen-te 40 mícrons a aproximadamente 250 mícrons.