BRPI0900426A2 - coletor de alcatrões - Google Patents

Abstract

COLETOR DE ALCATRõES. O "COLETOR DE ALCATRõES", objeto desta Patente, pode servir para as várias aplicações típicas de torres de lavagem de gases para captura de vapores de compostos de altos pontos de ebulição, dentre gases aquecidos, para recuperação económica ou para atendimento de cuidados ambientais. O "COLETOR DE ALCATRõES" é equipamento de alto desempenho se aplicado à captura de alcatrões em gases aquecidos, gerados no processo de secagem de biomassa, que antecede ao processo de pirólise, na produção de carvão vegetal. Quando aplicado à produção de carvão vegetal, principalmente nas plantas que operam pelo sistema de re-circulação de gases quentes, o "COLETOR DE ALCATRõES", objeto desta Patente produz: 1 - aumento de produtividade ponderal no processo, representada pela maior relação "peso de carvão vegetal produzido / peso de madeira a ser carbonizada", uma vez que, tais alcatrões, ao serem parcialmente queimados no processo, dispensam a queima parcial da madeira, a qual se tornará carvão vegetal, isto é, produto; 2 - aproveitamento do potencial energético da madeira, que pode ser fonte energética para outros processos, incluindo geração elétrica; 3 - a capacidade de capturar, dentre os gases e vapores oriundos do processo, os alcatrões que podem ser utilizados tanto como energéticos, para outros processos, como para matérias primas da indústria química; 4 - conformidade com o respeito ambiental, pois não lança licores pirolenhosos e alcatrões na atmosfera. O "COLETOR DE ALCATRõES", objeto desta Patente, conforme Figura 1, consta de uma câmara de captura de alcatrões (2), a qual é percorrida pelos gases quentes, de baixo para cima, em movimento de ciclone, recebendo lavagem por licor pirolenhoso, pulverizado por chuveiros (12), de cima para baixo, sendo a referida câmara envolvida por camisa de refrigeração (6), que esfria os gases no interior da referida câmara e aquece o ar que será usado em fornalhas geradoras de gases quentas para os processos de carbonização de madeira. Os alcatrões capturados do armazenados para uso no processo ou colocação no mercado, para fins energéticos, ou de indústria química em geral.

Description

"COLETOR DE ALCATRÕES".

Campos desta patente:

- Coleta de alcatrões em carbonização de biomassa;

- Produtividade energética em carbonização de biomassa;

- Segurança do trabalho;

- Tratamento de efluentes líquidos e gasosos.

Estado da Técnica.

Os caprichos da História deram ao Brasil uma posição particular quanto aouso do carvão vegetal na indústria metalúrgica: - até a chegada de D. JoãoVI, em 1808, ao Brasil, o país, na condição de colônia portuguesa, tinhacomo destino apenas ser explorado em seus recursos naturais, através dasatividades extrativas, sendo proibidas todas as atividades industriais.Após a chegada do soberano, novas leis e decretos estimularam a atividadeindustrial do país, dentre as quais a siderurgia.

Por esta época a Inglaterra já iniciava sua segunda Revolução Industrial comforte parque industrial metalúrgico, movido a carvão mineral, local ouimportado.

O carvão mineral é um combustível fóssil que, liberto de suas fraçõesvoláteis, em plantas chamadas de coquerias, transforma-se em coque, quecontém altos teores de carbono e teores suportáveis de cinzas e enxofre; apresença de enxofre em carvões veda seus usos em metalurgia, pois oenxofre é um grave contaminante das ligas de ferro.

Tendo sido a Inglaterra a pioneira mundial da siderurgia, sua tecnologiabaseada no coque - que apresenta grandes vantagens em produtividade -dominou o mundo. Além disto, logo que se esgotaram suas fontes, graças àssuas colônias e ao acúmulo de moedas fortes - eram tempos em que amoeda do mundo era a Libra Esterlina - foi formada, em escala mundial, atecnologia da siderurgia movida a coque.

Entretanto o Brasil, carente de moedas fortes, de grandes capitais para amontagem de grandes usinas siderúrgicas - a primeira planta grande foiVolta Redonda, montada na década de quarenta dos anos 1900 - cujasminas de carvão mineral, localizadas no sul do país, forneciam carvãomineral inviável para a siderurgia, em função dos altos teores de enxofre, foilevado, naturalmente, em decorrência da exuberância de suas florestas, autilizar o carvão vegetal para explorar sua riqueza em minérios de ferro, dealtos teores deste metal, que ainda hoje, afloram a superfície.

Hoje o país é líder mundial no uso deste energético em várias indústrias,principalmente na siderurgia: - o Brasil domina o ciclo inteiro, desde aformação de florestas energéticas formadas por clones selecionados,totalmente mecanizáveis, para plantação e colheita, bem como todo oprocesso industrial de carbonização de madeira e outras biomassas para aprodução de carvão vegetal, como uma valiosa logística que reduz os custoscom transporte em mais de 60% em relação há uma década atrás.

Em decorrência destas particularidades, produz-se, anualmente, no Brasil,mais de 10 milhões de toneladas de carvão vegetal, sendo a maior partedestinada à indústria siderúrgica.

Entretanto, 70% desta produção anual de 10 milhões de toneladas é feita emfornos de alvenaria, montados juntos às florestas, de forma perdulária epoluente, uma vez que, por esta tecnologia, a lenha é parcialmentequeimada em câmaras e, após a carga ter atingido temperatura decarbonização, a entrada de ar é totalmente vedada.

Para que esta temperatura seja atingida, é consumida madeira, o quediminui a produtividade ponderai do processo, ou seja, por ele é produzidaapenas uma tonelada de carvão vegetal por cada quatro toneladas demadeira seca.

Sob o ponto de vista energético, este modo de produção de carvão vegetal éextremamente ineficiente e perdulário; quanto ao ponto de vista depreservação ambiental, chega a ser criminoso, conforme será explicado nosparágrafos seguintes.

A lenha, ao ser cortada, apresenta 50% de seu peso em água; esta águaestá dentro dos vasos lenhosos e de seiva da madeira ou hidratando acelulose e outros compostos da madeira viva; cortada em peças, na direçãoortogonal aos troncos e deixada ao tempo, sua umidade baixa para cerca de20%, em peso, sendo que esta água residual, tissular, é parcialmentecombinada, quimicamente, com outros componentes da planta.

À medida que esta madeira começa a ser aquecida a altas temperaturas, nafase inicial do processo de carbonização, a madeira vai liberando esta água,em forma de um licor pirolenhoso, que contém álcoois, acetatos, fenóis,cresóis e outras centenas de compostos solúveis, tóxicos e extremamenteagressivos ao solo, ao ar e às fontes hídricas, se lançados, em forma devapor na atmosfera.

Com prosseguimento do processo de carbonização, a lenha começa a sedecompor - pirólise da madeira - e inicia o desprendimento de alcatrões,que são compostos orgânicos mais complexos, insolúveis, oleosos e demaiores pesos moleculares, os quais, também, em função das altastemperaturas dos processos de carbonização, são lançados à atmosfera,pelas chaminés, com resultados tão ou mais danosos que aqueles doslicores pirolenhosos acima citados.

Ora, basta que consideremos os números a seguir, para se ver como éenergeticamente perdulário e agressivo ao meio ambiente, o nãoaproveitamento destes efluentes líquidos e gasosos do processo de pirólise:para cada tonelada de madeira com cerca de 20% de umidade - água ligada- são produzidos 175 quilogramas de licor pirolenhoso, 125 quilogramas degases não condensáveis, constituídos de grande parte de Monóxido deCarbono e Metano, que são combustíveis e cerca de 35 quilogramas dealcatrões.

Tais líquidos e gases têm poder calorífico de cerca de 4.000 Kcal porquilograma de forma que são desperdiçados - com toda a agressãoambiental citada - cerca de 1 Gcal por tonelada de madeira, quecorrespondem a cerca de 40% do poder calorífico da mesma.Em suma, baixíssimo aproveitamento de matéria prima, de energia e grandepoluição ambiental.

É importante frisar que os alcatrões são compostos por cerca de 400produtos químicos diferentes, aproveitáveis em vários ramos da indústriaquímica.Tal é o Estado da Técnica predominante na atividade de produção de carvãovegetal.

Avanços no Estado da Técnica trazidos pelo "COLETOR DEALCATRÕES" objeto desta Patente.

Embora o "COLETOR DE ALCATRÕES", objeto desta Patente, possa seraplicado a inúmeros setores industriais, vamos centrar a descrição domesmo em suas aplicações à carbonização de biomassas e, principalmente,em função de suas características inovadoras e peculiares, às aplicações domesmo à moderna tecnologia de carbonização de biomassa por re-circulação dos gases quentes, oriundos do processo, pelo qual, estes gasessão forçados em contracorrente, do topo para a base, nas câmaras decarbonização, em sentido contrário à convecção, e re-circulam, colhendo osvapores do licor pirolenhoso e os alcatrões, indo, também, à câmara decombustão, para serem queimados e manterem a temperatura destes gasesde re-circulação, durante a fase endotérmica do processo de carbonizaçãode biomassa, passando, antes pelo "COLETOR DE ALCATRÕES", objetodesta Patente, onde a maior porcentagem de tais alcatrões é capturada e,posteriormente, armazenada, sendo que pequena parte é queimada, parafornecer calor de processo.

O "COLETOR DE ALCATRÕES", objeto desta Patente, utiliza também -quando a madeira em processo de carbonização tem alto teor de umidade -a umidade condensada desta madeira, em forma de licor pirolenhoso, paraaumentar a sua eficiência, de forma que, como resultado de sua atuação noprocesso de carbonização de madeira por re-circulação de gases quentes,os alcatrões gerados no processo são queimados ou capturados, comgrande aproveitamento do potencial térmico da madeira.

Os gases quentes oriundos da perfeita combustão destes alcatrões podemser utilizados para geração de energia elétrica, ou de outros processostérmicos, e, finalmente, com o emprego do objeto desta Patente emcarbonização de biomassas, as descargas gasosas na atmosfera passam aser apenas água em forma de vapor e Dióxido de Carbono, de poder depoluição infinitamente menores que dos alcatrões e licores pirolenhosos.Assim, conforme se verá a seguir, o "COLETOR DE ALCATRÕES", objetodesta Patente, agrega aos equipamentos de carbonização:

1 - produtividade ponderai no processo, representada pela maior relação"peso de carvão vegetal produzido / peso de madeira a ser carbonizada",uma vez que, tais alcatrões, ao serem parcialmente queimados no processo,dispensam a queima parcial da madeira, a qual se tornará carvão vegetal,isto é, produto;

2 - o aproveitamento do potencial energético da madeira, que pode ser fonteenergética para outros processos, incluindo geração elétrica;

3 - a capacidade de capturar, dentre os gases e vapores oriundos doprocesso, os alcatrões que podem ser utilizados tanto como energéticos,para outros processos, como para matérias primas da indústria química;

4 - conformidade com o respeito ambiental, pois não lança licorespirolenhosos e alcatrões na atmosfera.

Descrição, ilustrações e funcionamento do "COLETOR DEALCATRÕES", objeto desta Patente.

A Figura 1 é uma vista esquemática, que mostra a constituição dosequipamentos, e o funcionamento dos mesmos, através dos fluxos delíquidos, gases, vapores e calores no "COLETOR DE ALCATRÕES" (1), oqual pode ser construído em quaisquer tamanhos e capacidadesoperacionais, de forma a ser fixado e conectado em determinados locais dasplantas de carbonização, podendo, portanto, ser fixo ou móvel, podendo serconstruído em quaisquer materiais embora, devido ao alto poder de corrosãodos fluidos com que opera, é mais econômico que suas partes maisvaliosas, tais como a câmara de captura de alcatrões (2), sejam construídasem aço inoxidável.

Na Figura 1 vemos que o gás gerado no processo de carbonização, cujosalcatrões serão capturados pelo coletor de alcatrões (1), chegam ao mesmo,com uma pressão determinada, pelo duto de entrada (3), cujo fluxo éregulado, automaticamente ou manualmente, pela válvula de entrada (V1) eentra na parte inferior câmara de captura de alcatrões (2), em sentidotangencial à parede da mesma, para produzir um efeito de ciclone no gásem ascenção no interior da mesma, por onde ele transita até sair, pela partesuperior da mesma, distribuído entre o duto de saída de gás lavado (4), oqual leva parte deste gás, de forma controlada pela válvula (V2), para acâmara de combustão - não representada neste relatório - a qual gerarágases aquecidos para o processo de carbonização.

No seu trajeto no interior da câmara de captura de alcatrões (2), o gás queentra pelo duto de entrada (3), percorre um trajeto em forma de ciclone, quelança o vapor de alcatrão, que é a parte mais densa do mesmo, contra asparedes da dita câmara, que são refrigeradas pela camisa de refrigeração(6), em cuja parte superior, entra, em contra corrente ao sentido deascenção de gás no interior da câmara de captura de alcatrões (2), o ar decombustão, oriundo do soprador (7), que captura ar atmosférico, pelo filtro(8), ar este que vai ser aquecido, para auxiliar a combustão na dita câmarade combustão, que não faz desta patente, ao mesmo tempo em que, aodescer, esfria o gás ascendente no interior da câmara de captura dealcatrões (2), permitindo a condensação dos alcatrões contidos em tal gás,os quais, por efeitos combinados de movimento em forma de ciclone e dagravidade, escorrem pelas paredes da mesma, em direção a sua parteinferior, onde são guiados, pelo coletor cônico de alcatrões (14), para o dutode saída de alcatrões (15).

O ar de combustão, oriundo do soprador (7), que captura ar atmosférico,pelo filtro (8), lançado no interior da camisa de refrigeração (6), por sua partesuperior, sai aquecido por sua parte inferior, pelo duto de ar de combustãoaquecido (9), mediante controle pela válvula (V4).

No interior da câmara de captura de alcatrões (2), além do efeito de ciclonee do resfriamento externo, por ar soprado, através da camisa de refrigeração(6), a captura de alcatrões é grandemente aumentada pela circulação de"água", isto é, do licor pirolenhoso, contendo alcatrões em suspensão, o qualé devidamente capturado quando o processo de carbonização da madeiratem início e armazenado em tanques próprios.

Para efeitos desta Patente, basta dizer que o licor pirolenhoso, oriundo doprocesso de secagem da madeira, que antecede a fase de pirólise, noprocesso de carbonização de madeira, por re-circulação de gases quentes, éadequadamente capturado, armazenado e é disponibilizado para o"COLETOR DE ALCATRÕES" (1), objeto desta Patente, vindo, por qualquerforma, a ser lançado no tanque (T2), do qual, através da bomba (10) étambém re-circulado, misturado, ou não com água, pelo registro (V5),ajustado pelo sensor de nível (S1), sensor este que avalia o nível de água, apartir do qual, mais água será admitida, se for necessário ajustar aviscosidade, recirculação esta que será feita pelo duto de recirculação delicor (11), através dos chuveiros (12), existentes em várias quantidades esituados a várias alturas e alinhados verticalmente no interior da câmara decaptura de alcatrões (2).

Como tal licor pirolenhoso é bem mais frio e tem calor específico muito maiorque o do gás que entra pelo duto de entrada (3) e é pulverizado peloschuveiros (12) e transita no interior da mesma de cima para baixo, nosentido da gravidade e em sentido de contra-corrente com o gás queascende pelo interior da câmara de captura de alcatrões (2), tal gás éeficientemente lavado de seus alcatrões, os quais, como já mostramos,juntamente com o licor pirolenhoso, são guiados, pelo coletor cônico dealcatrões (14), para o duto de saída de alcatrões (15), indo para o tanquecoletor de alcatrões (T1), onde decanta, indo para o fundo de dito tanquecoletor de alcatrões (T1), liberando o licor pirolenhoso, que transborda pelodreno de transbordo (16) e é lançado no tanque (T2), de onde se continua oprocesso de re-circulação do licor pirolenhoso, através da câmara de capturade alcatrões (2).

Caso a madeira que está sendo carbonizada no momento esteja mais secae não forneça volume suficiente de licor pirolenhoso para a lavagem do gásna câmara de captura de alcatrões (2) do "COLETOR DE ALCATRÕES" (1),o tanque (T2) pode receber água de fonte externa, sob controle de (V5), porqualquer forma, automática ou não, para fazer com que haja volumesuficiente, inclusive para que seja reposto o nível necessário de água para oprocesso, pois parte da água que compõe o licor pirolenhoso é vaporizada earrastada pelos gases quentes e ascendentes no interior da câmara decaptura de alcatrões (2).

É importante notar que, partes dos compostos solúveis e voláteis, quecompõem o licor pirolenhoso, são evaporados no interior da câmara decaptura de alcatrões (2) e juntamente com parte dos alcatrões nãocapturados, são levados pelo duto de saída de gás lavado (4), para acâmara de combustão citada - que não faz parte desta Patente - onde sãoqueimados completamente, de forma que só serão lançados na atmosfera,pela chaminé do sistema da referida câmara de combustão, Dióxido deCarbono e água em forma de vapor, nas melhores condições possíveis depreservação ambiental.

Os alcatrões capturados no interior da câmara de captura de alcatrões (2), eque chegam ao tanque coletor de alcatrões (T1), juntamente com o licorpirolenhoso, pelo duto de saída de alcatrões (15), são mantidos em umacoluna d'água de altura (h), como na Figura 1, servindo de selo d'água dosistema, sendo que esta coluna d'água de altura (h) é mantidaconstantemente, tanto por fonte externa de água, não mostrada na Figura 1,como pela chegada de licor pirolenhoso, que re-circulou no interior dacâmara de captura de alcatrões (2), pelo duto de saída de alcatrões (15),podendo ser que as operações que mantenham a referida coluna d'águaaltura (h) sejam feitas automaticamente ou manualmente, mas, de todaforma, a mesma é mantida na altura correta pelo dreno de transbordo (16),inserido à altura "h", no topo do tanque coletor de alcatrões (T1).

A parte inferior do tanque coletor de alcatrões (T2) está ligada à bomba (13)que recolhe os alcatrões decantados e os leva ao tanque de depósito dealcatrões (17), do qual eles podem seguir para serem embalados para omercado ou retornar ao sistema para serem queimados.

Claims (6)

1. "COLETOR DE ALCATRÕES", que utiliza uma tecnologia decarbonização de biomassa por re-circulação dos gases quentes, oriundosdo processo, pelo qual, estes gases são forçados em contracorrente, dotopo para a base, nas câmaras de carbonização, em sentido contrário àconvecção, e re-circulam, colhendo os vapores do licor pirolenhoso e osalcatrões, indo, também, à câmara de combustão, para serem queimadose manterem a temperatura destes gases de re-circulação, durante a faseendotérmica do processo de carbonização de biomassa, passando, antespelo "COLETOR DE ALCATRÕES", onde a maior porcentagem de taisalcatrões é capturada e. Dosteriormente. arma7finaHa spnrln hnppequena parte é queimada, para fornecer calor de processo, agregandoao processo produtividade ponderai, representada pela maior relação"peso de carvão vegetal produzido/peso de madeira a ser carbonizada",aproveitamento o potencial energético da madeira e ainda capturaralcatrões que podem ser utilizados tanto como energéticos, para outrosprocessos, como para matérias primas da indústria química,caracterizado por receber o gás gerado no processo de carbonização,cujos alcatrões serão capturados pelo coletor de alcatrões (1), chegam aomesmo, com uma pressão determinada, pelo duto de entrada (3), cujofluxo é regulado, automática ou manualmente, pela válvula de entrada(V1) e entra na parte inferior câmara de captura de alcatrões (2), emsentido tangencial à parede da mesma, para produzir um efeito de cicloneno gás em ascenção no interior da mesma, por onde ele transita até sair,pela parte superior da mesma, distribuído entre o duto de saída de gáslavado (4), o qual leva parte deste gás, de forma controlada pela válvula(V2), para uma câmara de combustão; possuindo ainda um soprador (7),que captura ar atmosférico, pelo filtro (8), lançado no interior da camisa derefrigeração (6), por sua parte superior, sai aquecido por sua parteinferior, pelo duto de ar de combustão aquecido (9), mediante controlepela válvula (V4), e ainda por possuir ainda tanques (T1) e (T2) dearmazenagem e circulação dos alcatrões.

2. "COLETOR DE ALCATRÕES", de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do gás que entra pelo duto de entrada (3), nointerior da câmara de captura de alcatrões (2), percorrer um trajeto emforma de ciclone, que lança o vapor de alcatrão contra as paredes da ditacâmara, que são refrigeradas pela camisa de refrigeração (6), em cujaparte superior, entra, em contra corrente ao sentido de ascenção de gásno interior da dita câmara de captura de alcatrões (2), permitindo acondensação dos alcatrões contidos em tal gás, os quais, por efeitoscombinados de movimento em forma de ciclone e da gravidade, escorrempelas paredes da mesma, em direção a sua parte inferior, onde sãoguiados, pelo coletor cônico de alcatrões (14), para o duto de saída dealcatrões (15).

3. "COLETOR DE ALCATRÕES", de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo licor pirolenhoso, oriundo do processo de secagem damadeira, ser adequadamente capturado, armazenado e serdisponibilizado para o coletor de alcatrões (1) no tanque (T2), do qual,através da bomba (10) é também re-circulado, misturado, ou não comágua, pelo registro (V5), ajustado pelo sensor de nível (S1), sendo suarecirculação feita pelo duto de recirculação de licor (11), através doschuveiros (12), existentes em várias quantidades, em várias alturas edispostos alinhados verticalmente, no interior da câmara de captura dealcatrões (2).

4. COLETOR DE ALCATRÕES", de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato das partes dos compostos solúveis e voláteis quecompõem o licor pirolenhoso serem evaporados no interior da câmara decaptura de alcatrões (2) e juntamente com parte dos alcatrões nãocapturados, são levados pelo duto de saída de gás lavado (4), para acâmara de combustão citada onde são queimados completamente.

5. "COLETOR DE ALCATRÕES", de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato dos alcatrões capturados no interior da câmarade captura de alcatrões (2), e que chegam ao tanque coletor de alcatrões(T1), juntamente com o licor pirolenhoso, pelo duto de saída de alcatrões(15), serem mantidos em uma coluna d'água de altura (h), selo d'água dosistema, dita coluna d'água de altura (h) sendo mantida constantemente,tanto por fonte externa de água como pela chegada de licor pirolenhoso,que re-circulou no interior da câmara de captura de alcatrões (2), peloduto de saída de alcatrões (15).

6. "COLETOR DE ALCATRÕES", de acordo com a reivindicação anterior,caracterizado pela parte inferior do tanque coletor de alcatrões (T2) estarligada à bomba (13) que recolhe os alcatrões decantados e os leva aotanque de depósito de alcatrões (17).