BRPI0913416B1 - Método e equipamento para produção de gás de síntese - Google Patents

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Abstract

método e equipamento para produção de gás de síntese a presente invenção refere-se a um método para produção de gás de síntese (s), a partir de partículas sólidas de carbono (c), ditas partículas de carbono obtidas por meio de um procedimento de pirólise, onde a gaseificação das partículas de carbono (c) ocorre através de aquecimento indireto das mesmas, na presença de um gás de processo (p), no mesmo espaço em que as partículas de carbono (c) estão presentes, e onde o gás de síntese (s) gerado durante a etapa de gaseificação é descarregado do dito espaço. a invenção também está correlacionada a um equipamento para produção de gás de síntese. o método da presente invenção é caracterizado pelo fato de que as partículas de carbono (c) e o gás de processo (p) são colocados em um reator (1) e o aquecimento indireto ocorre por meio do calor radiante proveniente de queimadores (br1 -brn) dispostos no dito reator(1).

Description

Campo Técnico da Invenção
A presente invenção está correlacionada a um método e equipamento para produção de gás de síntese, a partir de partículas sólidas de carbono, ditas partículas de carbono obtidas por meio de um procedimento de pirólise, em que a gaseificaçao das partículas de carbono ocorre mediante aquecimento indireto das mesmas, na presença de um gás de processo, no mesmo espaço em que as partículas de carbono estão presentes, e onde o gás de síntese gerado durante a etapa de gaseificação é descarregado do dito espaço.
Estado da Técnica
A gaseificação é um processo para produção de combustível gasoso a partir de combustível sólido. A técnica é usada para carvão, subprodutos de carvão, resíduos de petróleo, produtos residuais e biomassa. As reações são baseadas em gases oxidantes (tais como, CO2 e H2O) sendo aquecidos e reagidos com carbono (C) , um agente redutor, após o que são produzidos monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) , o calor sendo consumido para implementar as reações, as quais são reações endotérmicas. A mistura de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) é normalmente chamada de gás de síntese.
Uma técnica de gaseificação costumeira é a queima de carvão em condições significativamente subestequiométricas, com o fornecimento simultâneo de vapor superaquecido. A combustão proporciona calor e gases de exaustão da combustão (CO2 e H2O) para o sistema. O carvão não queimado, mas, superaquecido, reage com os gases de exaustão e com o vapor fornecido. O carbono (C) irá reduzir o dióxido de carbono (CO2) a monóxido de carbono (CO) e o
2/6 vapor d/água (H2O) a hidrogênio (¾) . 0 calor consumido abaixa a temperatura e a reatividade diminui. A reatividade do carbono é altamente dependente da temperatura, enquanto o equilíbrio das reações, também, é dependente da temperatura. Atualmente, a combustão à base de oxigênio é a forma dominante de combustão em um contexto de gaseificação, muito embora, a combustão baseada em ar possa ocorrer.
O problema que ocorre com a gaseificação do carvão, subprodutos de carvão, resíduos de petróleo, produtos residuais e biomassa é que esses materiais não são homogêneos, pelo que componentes (alcatrão) de diferentes pesos e componentes complexos (aromáticos) são liberados durante a reação. Esses componentes, certamente, não irão reagir, mas precisam ser removidos antes de o gás de síntese poder ser usado ou posteriormente refinado em hidrocarbonetos líquidos ou outro combustível.
Mediante pirólise do carvão, subprodutos do carvão, resíduos de petróleo, produtos residuais e biomassa antes da reação de gaseificação, esses componentes (alcatrão) de diferentes pesos e componentes complexos (aromáticos) podem ser retirados. 0 produto de pirólise agora obtido, consistindo de produtos condensáveis e gases, pode ser usado como combustível no processo de gaseificação. No processo de gaseificação acima descrito com combustão sub-estequiométrica, a reação de pirólise faz parte do processo. Mas os componentes (alcatrão) de diferentes pesos e componentes complexos (aromáticos) se encontram no mesmo reator na forma de gás de síntese, produzido no processo de gaseificação. Conseqüentemente, a manipulação de componentes (alcatrão) de diferentes pesos e componentes complexos (aromáticos) se torna um fator limitativo de quanto efetivo o processo de gaseificação pode se tornar, sem a ocorrência de problemas físicos, tais
3/6 como, condensação, sedimentação e outros, que surgem no próprio reator.
Objetivos e Características da Invenção
Um principal objetivo da presente invenção é indicar um método e um equipamento do tipo definido no início da presente descrição, onde um importante princípio da presente invenção é o uso de aquecimento indireto.
Um adicional objetivo da presente invenção é que o aquecimento indireto utiliza combustível de um estágio anterior de pirólise, para um material que contém carbono.
Outro objetivo da presente invenção é o uso de troca de calor para aproveitar o teor de calor dos produtos produzidos durante o processo.
Pelo menos, o principal objetivo da presente invenção é concretizado, mediante o método e equipamento tendo as características especificadas nas seguintes reivindicações independentes. As modalidades preferidas da invenção são definidas nas reivindicações dependentes.
Breve Descrição dos Desenhos
Uma modalidade preferida da presente invenção será agora descrita fazendo-se referência ao desenho anexo, no qual:
- a figura 1 mostra um fluxograma de um método preferido de acordo com a presente invenção, dito fluxograma mostrando também, esquematicamente, as unidades que formam um equipamento para implementação do método.
Descrição Detalhada de uma Modalidade Preferida
A figura 1 mostra, esquematicamente, um determinado número de unidades que constituem o equipamento para implementação do presente método. Os condutos, tubulações, etc., que interligam as unidades do equipamento
4/6 não são descritos ou mostrados em detalhes. Os condutos, tubulações, etc., são adequadamente projetados para atendimento à função, isto é, para transportar gases e sólidos entre as unidades do equipamento.
A figura 1 mostra um reator de gaseificação (1) aquecido indiretamente, o qual, normalmente, é um reator forrado de cerâmica. As partículas sólidas de carbono (C) são alimentadas ao reator junto com o gás de processo (P) . As partículas de carbono (C) são provenientes de um procedimento de pirólise anterior à gaseificação. O tamanho das partículas de carbono (C) é, preferivelmente, suficiente, para ser trazido junto pelo fluxo de gás de chegada, com o gás de processo (P) , para dentro do reator. O gás de processo (P) pode ser vapor ou um gás de exaustão (A) , reciclado e purificado, proveniente do estágio de combustão. Se o gás de processo (P) for um gás de exaustão (A) reciclado, o mesmo pode conter vapor d'água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) . O gás de processo (P) é aquecido pelo calor recuperado da saída do gás de síntese (S) no trocador de calor (2) . A reação que ocorre no reator de gaseificação (1) é que o carbono (C) reduz o teor de gás de processo (P) (H2O e CO2) para gás de síntese (S) (H2 e CO) , cuja redução usa o calor suprido ao processo pelos queimadores Bri-Brn.
O reator de gaseificação (1) é aquecido indiretamente pelos queimadores Bri-Brn (n sendo o número de queimadores necessários para o reator de gaseificação (1)). O calor é fornecido à reação de gaseificação pela radiação proveniente dos queimadores Bri-Brn, onde a combustão ocorre no interior dos tubos de radiação, isto é, separada do fluxo de gaseificação. Nenhuma troca direta de calor ocorre no reator de gaseificação (1), entre os queimadores Bri-Brn e o gás de processo (P) ou seus produtos reacionais.
5/6
Os queimadores Bri~Brn são supridos com combustível (F), preferivelmente, de um estágio anterior de pirólise do material que contém carbono. O agente oxidante (O) na forma de ar, de ar enriquecido de oxigênio ou de oxigênio puro é fornecido para a combustão. O trocador de calor (3) recupera calor dos gases de exaustão (A) de saída e aquece o agente oxidante (O) de chegada. Alternativamente, o calor no trocador de calor (3) pode ser usado para evaporar a água de chegada ou para uso no precedente processo de pirólise e secagem. Os gases de exaustão (A) se dirigem para a seção de limpeza de gás de combustão, na qual as exigências sobre emissões para o processo são satisfeitas com ciclones, limpeza catalítica, filtros (elétricos ou de tecido) e purificadores, dependendo das exigências do material de chegada contendo carbono.
O carbono (C) é proveniente de um precedente estágio de pirólise e contém resíduos de cinza. Ao controlar a temperatura no reator de gaseificação (1) acima do ponto de fusão da cinza, a mesma pode ser removida, preferivelmente, na forma líquida, como uma escória (Sl).
O gás de síntese de saída (S) pode ser usado como gás energético para fins de combustão, ou como base para posterior refino em combustível líquido (método de Fischer Tropsch para típico combustível automotivo, produção de metanol ou métodos similares).
A pressão no reator de gaseificação (1) pode ser controlada, desde a pressão atmosférica até uma pressão bastante alta (>100 bar).
A temperatura no reator de gaseificação (1) é controlada, de modo a se obter um máximo rendimento para o gás de síntese (S) . Um valor típico se inclui no intervalo de 900- 1300°C.
6/6
O aquecimento indireto do gás de processo (P) e do carbono (C) pode também ocorrer em um sistema de tubos no interior de um reator, onde ocorre a combustão, cujo reator e sistema de tubos, no presente caso, torna o reator de gaseificação (1) mais similar a uma caldeira, mas, a uma temperatura diferentemente mais alta.
A geometria do reator de gaseificação (1) depende da exigência do tempo de reação no processo de gaseificação, o qual, por sua vez, depende da temperatura escolhida. A geometria pode ser rotacionalmente simétrica na forma de tubo, pelo que um processo de gaseificação bastante compacto pode ser obtido, ou de um modelo mais volumoso, lembrando uma caldeira, nesse caso, não precisando da simetria rotacional. O tamanho do reator pode ser projetado desde uma pequena escala para uma maior escala industrial.
O gás de síntese (S) (H2 e CO) proveniente do reator de gaseificação (1) irá conter até 50% de hidrogênio e o resto de monóxido de carbono irá depender da composição do gás de processo de chegada (P).
A eficiência térmica para um reator de gaseificação aquecido indiretamente será bastante alta, e com a inclusão do estágio precedente de pirólise e adicional secagem, é possível se obter cerca de 80% de eficiência térmica para todo o sistema.

Claims (5)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para produção de gás de síntese (S) a partir de partículas sólidas de carbono (C), ditas partículas de carbono (C) sendo obtidas mediante um procedimento de pirólise, em que a gaseificação das partículas de carbono (C) ocorre através de aquecimento indireto das mesmas, na presença de um gás de processo (P), no mesmo espaço em que as partículas de carbono (C) estão presentes, e onde o gás de síntese (S) gerado durante a etapa de gaseificação é descarregado do dito espaço, as partículas de carbono (C) e o gás de processo (P) sendo colocados em um reator (1), e o aquecimento indireto ocorre por meio de calor radiante proveniente de queimadores (Br1Brn) dispostos no dito reator (1) caracterizado pelo fato de que é utilizado um trocador de calor para aquecer o gás de processo (P) mediante o gás de síntese (S) gerado durante a gaseificação, o aquecimento ocorrendo antes do gás de processo (P) participar na gaseificação.
  2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a combustão no interior dos queimadores (Br1-Brn) é separada do fluxo de gaseificação.
  3. 3. Equipamento para implementação de um método como definido na reivindicação 1 ou 2 para produção de gás de síntese (S), compreendendo um reator (1), pelo menos um queimador (Br1 - Brn) sendo colocado dentro do reator (1), o equipamento tendo dispositivos para suprimento de partículas de carbono (C) e o gás de processo (P) para o espaço interior do reator (1), o equipamento tendo meios para descarregar o gás de síntese (S) resultante caracterizado pelo fato de que um trocador de calor (2) para aquecimento do gás de processo (P) e resfriamento do
    Petição 870190024172, de 13/03/2019, pág. 5/6
    2/2 gás de síntese (S) está localizado exteriormente ao reator (1).
  4. 4. Equipamento, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os queimadores (Br1-Brn) são dotados de meios para suprimento de combustível a um espaço interno dos queimadores (Br1-Brn), e que os ditos meios de suprimento são localizados exteriormente ao reator (1).
  5. 5. Equipamento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que um trocador de calor (3) é localizado de modo adjacente aos dispositivos de suprimento dos queimadores (Br1-Brn), para aquecimento de um agente oxidante (O) suprido aos queimadores (Br1-Brn).
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