BRPI1003099A2 - método e sistema para torrefação de material lignocelulósico - Google Patents

Abstract

MéTODO E SISTEMA PARA TORREFAçãO DE MATERIAL LIGNOCELULóSICO. A presente invenção refere-se a sistemas e métodos para produzir material lignocelulósico torrificado em um processo comercialmente adequado.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E SISTEMA PARA TORREFAÇÃO DE MATERIAL LIGNOCELULÓSICO".

PEDIDO RELACIONADO

Este pedido de patente reivindica prioridade para o pedido provi- sório de número US 61/235.114, depositado em 19 de Agosto de 2009, o qual está incorporado por referência.

ANTECEDENTE DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se, geralmente, a sistemas e méto- dos para a torrefação de material lignocelulósico.

A torrefação refere-se ao tratamento térmico de madeira, em uma atmosfera usualmente inerte, a temperaturas relativamente baixas de 225 a 300°C. A torrefação resulta geralmente em um combustível com den- sidade de energia aumentada relativa à massa, pela decomposição de teor de hemicelulose reativa da madeira.

A madeira contém geralmente hemicelulose, celulose e lignina. Em um aspecto, o objetivo de torrefação é remover da madeira a umidade e componentes voláteis orgânicos com baixo. A torrefação pode também des- polimerizar as cadeias de polissacarídeos longas da porção de hemicelulose da madeira e produzir um produto sólido hidrofóbico com uma densidade de energia aumentada (sobre uma base de massa) e um coeficiente de triturabi- lidade aumentado. Devido à alteração na estrutura química da madeira após a torrefação, pode ser adequada para o uso em instalações alimentadas a carvão (madeira ou biomassa tonificada tem as características que se pare- cem com aquelas dos carvões de grau inferior) ou pode ser compactado formando pelotas de grau superior que substituem pelotas de madeira de apoio.

A torrefação foi desenvolvida ao longo das últimas décadas co- mo um método possível de transformar madeira baseada em biomassa em uma adição viável ao espectro de produtos de energia. Ainda que exista mui- ta pesquisa em alterações composicionais que ocorrem na biomassa (ma- deira) enquanto se submete a torrefação, os processos comerciais não são bem desenvolvidos. O sistema e o método de torrefação apresentados no presente documento foram desenvolvidos para satisfazer a necessidade comercial de um processo de torrefação viável. Outros processos de torrefa- ção são descritos em: Publicação de Patente de N- U.S 2008/0223269, na qual um calor de condução é utilizado para alcançar a torrefação; a Patente de número U.S 4.787.917, na qual a madeira tonificada forma bastões de madeira descascada; e a Publicação PCT de número WO 2005/056723, na qual um método e um sistema contínuos produzem biomassa tonificada a partir de material bruto (material orgânico e originado da silvicultura e de ou- tra agricultura e material de natureza fóssil ou mistura de lignocelulose).

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A torrefação do material de madeira produz tipicamente três pro- dutos: um produto sólido de cor escura que pode ser processado adicio- nalmente para as varetas ou usado diretamente como combustível de bio- massa; uma fase ácida que compreende orgânicos condensáveis (incluindo, mas sem caráter limitativo, ácido acético, ácido fórmico, acetona e furfural); e gases tais como monóxido de carbono ou dióxido de carbono. Em um as- pecto, o processo pode ser um processo a baixa temperatura de pirólise com baixo teor de oxigênio em que há facilidade de remover compostos que têm os mais baixos valores de calor e energia.

Em um aspecto deste processo, aproximadamente 30% da mas- sa é queimada enquanto ao mesmo tempo em que perde apenas 10% do valor de energia, é o mesmo que dizer que a massa sólida remanescente (aproximadamente 70% da massa material original) contém 90% do valor de calor originalmente presente. A torrefação pode ocorrer em um reator pres- surizado e uma temperatura de 220 a 300°C onde existe contato direto do material/biomassa bruto (material lignocelulósico), que foi previamente seco para remover até aproximadamente 95% da umidade inicialmente presente na biomassa, com gás quente (gás oxigênio relativamente livre). O aqueci- mento da biomassa seca no reator de torrefação pode remover a água re- manescente da biomassa.

Em um aspecto, existe um sistema para a torrefação de material lignocelulósico. O sistema pode incluir: um secador para secar material Iig- nocelulósico adaptado para remover pelo menos uma porção da umidade contida dentro material lignocelulósico; um reator de torrefação adaptado para operar a uma pressão entre 100 e 5000 Mpa (1 e 50 bar) e a uma tem- peratura entre 100 e 1.OOO0C1 sendo que o reator de torrefação gera bio- massa tonificada e um gás de torrefação a partir do material lignocelulósico; um primeiro circuito de reciclagem adaptado para reciclar o gás de torrefa- ção de volta para o reator de torrefação; um refrigerante adaptado para res- friar a biomassa torrificada, sendo que o refrigerante está adaptado para o- perar em um ambiente substancialmente livre de oxigênio; um ciclone adap- tado para separar a biomassa torrificada resfriada de um gás inerte; um se- gundo circuito de reciclagem adaptado para reciclar o gás inerte a partir do ciclone para o refrigerante e para fornecer o gás inerte ao reator de torrefa- ção; e uma linha adutora adaptada para suprir gás inerte para adição ao re- frigerante. O sistema pode ser adaptado para usar o gás inerte como um meio para transferir calor entre o reator de torrefação e o refrigerante.

Em outro aspecto, existe um método para a torrefação de mate- rial lignocelulósico que compreende as etapas de: secar material lignoceluló- sico para remover pelo menos uma porção da umidade contida dentro do material lignocelulósico; reagir o material lignocelulósico seco a uma pressão entre 100 e 5000 Kpa (1 e 50 bar) e a uma temperatura entre 100 e 1.000°C em um reator de torrefação para gerar a biomassa torrificada e o gás de tor- refação; reciclar pelo menos uma porção do gás de torrefação de volta para o reator de torrefação; resfriar a biomassa torrificada no refrigerante funciona em um ambiente substancialmente isento de oxigênio; separar a biomassa torrificada e um gás inerte em um ciclone; reciclar uma porção do gás inerte separada no ciclone para o refrigerante e reciclar uma porção do gás inerte separado no ciclone para o reator de torrefação; suprir a composição de gás inerte para o refrigerante. O método pode usar o gás inerte como um meio para transferir calor entre o reator de torrefação e o refrigerante.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é um fluxograma esquemático que ilustra uma modali- dade da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A figura 1 ilustra esquematicamente uma instalação em escala comercial capaz de torrefação de biomassa (material lignocelulósico). A mo- dalidade de figura 1 obtém vantagem em relação ao calor do processo en- quanto que mantém um ambiente livre de oxigênio (isto é, substancialmente livre de oxigênio), que é benéfico para uma operação eficiente e segura.

No processo ilustrado, o material de biomassa é alimentado a- través do conduto 1 para um dispositivo de secagem 2, que é qualquer dis- positivo convencional ou não convencional capaz de remover entre 85 e 98% da umidade presente na biomassa. No dispositivo de secagem 2 ilus- trado, a umidade presente na biomassa é removida pela energia suprida a- través de gás quente 23. O secador pode remover uma quantidade suficien- te de umidade de tal modo que um teor de umidade absoluta do material lignocelulósico seco seja menos que 15% do peso total do material Iignoce- lulósico. Na modalidade representada, o gás quente no conduto 23 é o resul- tado de gás de combustão no conduto 9 a partir da unidade de combustão 8 após o gás de combustão ter sido levemente resfriado por um permutador térmico indireto 20. O permutador térmico 20 facilita a reciclagem de energia no gás de combustão quente 9 de volta para o reator de torrefação 5 através do conduto 19 para o uso no aquecimento do reator 5.

O gás de secagem alimentado para o secador 2 através do con- duto 23 pode estar em uma temperatura de até 1.000°C para permitir a se- cagem para o nível de umidade residual desejado. A biomassa seca é então alimentada através do conduto 3 e da válvula giratória para a entrada para um reator pressurizado 5 (chamado também de reator de torrefação). O rea- tor de torrefação 5 pode operar a uma pressão entre 500 e 2000 Kpa (5 e 20 bar), e a uma temperatura de cerca de 220 a 300°C. Em outras modalida- des, a pressão pode alcançar de 100 a 5000 Kpa (1 a 50 bar) (e todas as sub-faixas entre a mesma), e a temperatura pode alcançar de 100 a 1000°C (e todas as sub-faixas entre a mesma).

Para elevar a temperatura do material de biomassa seco (por exemplo, de 100 a 300°C), o calor é fornecido a partir do gás de reator a- quecido alimentado através do conduto 19. O gás de reator aquecido com- preende uma porção de gás de torrefação (gás produzido no reator de torre- fação 5) que é liberado na reação de torrefação 5 através do conduto 6 e que é reciclado para o reator de torrefação 5 (como o gás torrefação recicla- do através do conduto 7) e uma porção de gás rico em nitrogênio do ciclone através do conduto 18.

A porção de gás de torrefação reciclado que é reciclado para o reator de torrefação 5 e qualquer gás rico em nitrogênio adicional podem ser aquecidos em um permutador térmico indireto 20 pelo gás de combustão ou por outros meios de aquecimento no conduto 9 a partir da unidade de com- bustão 8 antes de usar no reator de torrefação 5. Uma porção do gás de tor- refação (por exemplo, a porção no conduto 21) produzida no reator de torre- fação 5 pode ser enviada para a unidade de combustão 8 onde o gás de tor- refação é misturado com oxigênio contendo o gás alimentado através do conduto 12 a partir da aparelhagem 11 de Adsorção por Oscilação de Pres- são (PSA) e/ou ar de combustão e/ou com combustível de utilidade alimen- tado através do conduto 22 (se necessário) para produzir o gás combustível de combustão que sai através do conduto 9 a partir da unidade de combus- tão 8.

O gás combustível de combustão pode ser usado como fonte de calor para o permutador térmico 20 para aquecer o gás do reator fornecido para o reator de torrefação 5 através do conduto 19. O gás combustível de combustão refrigerante de corrente 23 pode ser usado na unidade de seca- gem 2 para secar a biomassa de chegada. O gás combustível de secagem produzido a partir do processo de secagem pode ser enviado para o proces- samento adicional anterior á colocação para a atmosfera ou para outra colo- cação aceitável.

A biomassa tonificada que sai através da corrente 25 do reator de torrefação 5 em uma temperatura de cerca de 220 a 300°C pode se ali- mentar na entrada para o leito fluido 29 (ou para outro refrigerante de conta- to direto). O refrigerante de leito fluido 29 pode ser uma combinação de refri- gerante indireto, com o uso de água como meio de resfriamento, e refrige- rante direto, com o uso de corrente rica em nitrogênio resfriada 17 ou em qualquer outro gás inerte do permutador térmico 16 e composição de nitro- gênio a partir da aparelhagem PSA 11 (ou outro equipamento do tipo de se- paração de gás) ou de qualquer outro gás inerte para resfriar a biomassa torrificada que entra no refrigerante de leito fluido 29 através da corrente 25 a cerca de 90°C em um ambiente livre de oxigênio ou quase livre de oxigê- nio. A biomassa torrificada resfriada pode ser descarregada a partir do refri- gerante de leito fluido 29 através de uma válvula giratória 30 (ou um disposi- tivo similar para assegurar que o refrigerante de leito fluido 29 opere em um ambiente livre de oxigênio ou substancialmente livre de oxigênio). A biomas- sa torrificada resfriada em uma corrente descarregada a partir do refrigeran- te de leito fluido 29 pode ser misturada com a corrente 35 de sólidos de bio- massa torrificada separados no ciclone 32 (descarregado através de válvula giratória 33 ou de tal equipamento para inserir um ambiente livre de oxigênio ou quase livre de oxigênio, é mantida no ciclone 32) para produzir uma cor- rente 37 para um processamento adicional em uma unidade de pelotamento 38 ou outro processamento de manejo do produto para compactar ou empa- cotar os sólidos de biomassa torrificada.

O refrigerante de leito fluido 29 pode operar em uma pressão quase atmosférica (por exemplo, o refrigerante pode operar em um vácuo leve ou levemente acima da pressão atmosférica) e pode usar resfriamento indireto a partir da água de resfriamento (considerada como Suprimento de Água de Resfriamento (CWS) 27 e Retorno de Água de Resfriamento (CWR) 28) e também resfriamento direto a partir do gás rico em nitrogênio na cor- rente 17. O gás rico em nitrogênio na corrente 17 pode conter uma porção de gás rico em nitrogênio do ciclone na corrente 36 combinada com a com- posição do nitrogênio 13. O permutador térmico 16 pode suprir com água de resfriamento como meio de resfriamento indireto ou outro material de resfri- amento disponível.

O gás do refrigerante de leito fluido na corrente 31 a partir do re- frigerante de leito fluido 29 pode ser enviado a um ciclone 32 onde o gás resfriado é separado de qualquer sólido arrastado. O gás resfriado na cor- rente 34 pode então ser dividido em duas ou mais porções. Por exemplo, uma corrente de gás nitrogênio do ciclone 34 pode ser dividida em duas por- ções: (i) a corrente 18 que pode ser enviada ao permutador térmico 20 no circuito de aquecimento em torno do reator de torrefação para misturar com a corrente 7 para alimentar o reator de torrefação 5 e (ii) a corrente 36 que é alimentada pelo

O ar no conduto 10 pode ser fornecido para a aparelhagem PSA 11 onde duas correntes de gás são produzidas: corrente de nitrogênio com- posto 13 (uma corrente rica em nitrogênio com pouco ou nenhum oxigênio) e uma corrente rica em oxigênio 12 que é usada junto com o combustível de utilidade na unidade de combustão.

Enquanto a descrição fornecida usa nitrogênio como o gás nas circuitos de aquecimento e de resfriamento onde os ambientes livres de oxi- gênio ou substancialmente livres de oxigênio podem ser empregados para evitar misturas explosivas, qualquer gás inerte (por exemplo, argônio ou dió- xido de carbono, mas o nitrogênio é preferido) pode ser usado no lugar do nitrogênio. O gás inerte (por exemplo, nitrogênio) é usado neste processo como um "carreador" de gás, o que significa que o gás inerte carrega o calor necessário no reator de torrefação e do refrigerante de leito fluido. Adicio- nalmente, enquanto que o processo pode usar uma aparelhagem PSA para separar o nitrogênio do ar, qualquer outro método de separar o nitrogênio do ar pode também ser usado e não é um recurso crítico desta invenção. Está também dentro do escopo da invenção usar qualquer fonte de nitrogênio ou outro gás inerte.

Na modalidade da figura 1, além disso, a água de resfriamento é descrita como o meio de resfriamento nos serviços de resfriamento indiretos. Em outras modalidades, o meio de resfriamento pode ser qualquer meio ex- ceto água sem impactar nos recursos técnicos importantes deste processo. Isto é, qualquer fluido capaz de resfriamento pode ser empregado efetiva- mente.

Em um aspecto, um recurso notável deste processo é a capaci- dade de usar gás rico em nitrogênio do ciclone (que seria de outra forma purificado do sistema) como parte do gás de reator para a etapa de torrefa- ção. Através do uso deste gás rico em nitrogênio, um equilíbrio pode ser es- tabelecido tanto no circuito de resfriamento como no circuito de aquecimento com uma adição mínima de composição de nitrogênio. Isto também significa que a composição de gás de torrefação é usada para ajustar às condições de operação da unidade de combustão através do controle da razão de gás (através do conduto 21) do reator existente para a unidade de combustão versus gás (através do conduto 6) produzida pelo reator. Esta razão que po- de ser expressa em termos volumétricos ou molares, então influencia o ni- trogênio necessário a compor e também a quantidade de combustível de utilidade requerida. É preferível que as correntes sejam recicladas tanto nas circuitos de aquecimento como nas de resfriamento que permanecem livres de oxigênio ou substancialmente livres de oxigênio. Em um aspecto, o pro- cesso descrito da figura 1 pode fornecer dimensionamento de equipamento ótimo, através da economia de investimento de capital, e também aperfeiçoa o impacto sobre o ambiente dos produtos do processo.

Embora a invenção tenha sido descrita juntamente com que é considerado presentemente para ser a modalidade mais prática e preferida, deve-se ser entendido que a invenção não é limitada à modalidade apresen- tada, mas pelo contrário, é prevista para abranger várias modificações e ar- ranjos equivalentes incluídos dentro da essência e do escopo das reivindica- ções anexadas.

Claims (20)

1. Sistema para a torrefação de material lignocelulósico que compreende: um secador para secar material lignocelulósico adaptado para remover pelo menos uma porção de umidade contida dentro do material lig- nocelulósico; um reator de torrefação adaptado para operar a uma pressão entre 10 e 5000 Kpa (1 e 50 bar) e a uma temperatura entre 100 e 1.000° C1 sendo que o reator de torrefação gera biomassa torrificada a partir do mate- rial lignocelulósico e gera gás de torrefação; um primeiro circuito de reciclagem adaptado para reciclar o gás de torrefação de volta para o reator de torrefação; um refrigerante adaptado para resfriar a biomassa torrificada, sendo que o refrigerante é adaptado para operar em um ambiente substan- cialmente livre de oxigênio; um segundo circuito de reciclagem adaptado para reciclar o gás inerte para o refrigerante e para fornecer gás inerte para o reator de torrefa- ção; e uma linha adutora adaptada para suprir o gás inerte para adição ao refrigerante; em que o sistema é adaptado para usar o gás inerte como pelo menos um meio parcial para transferir calor entre o reator de torrefação e o refrigerante.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o refrige- rante é um refrigerante de leito fluido, e em que o sistema compreende adi- cionalmente um ciclone adaptado para separar a biomassa torrificada resfri- ada a partir de um gás inerte.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o gás iner- te compreende nitrogênio.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o secador é adaptado para remover a umidade presente no material lignocelulósico de tal modo que um teor de umidade absoluto do material lignocelulósico seja menos que 15% do peso total do material lignocelulósico.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o secador emprega a energia recebida de um gás quente a uma temperatura de até -1.000° C.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o reator de torrefação opera entre 500 a 2000 Kpa (5 e 20 bar).

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o reator de torrefação opera a uma temperatura de cerca de 220 a 300°C.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente um pelotador para compactar sólidos de biomassa torrificada obtidos a partir do refrigerante.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente um separador de ar para separar em, pelo menos, uma pri- meira corrente que compreende oxigênio e uma segunda corrente que com- preende nitrogênio, em que o nitrogênio é usado como o gás inerte.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente uma unidade de combustão para combustar pelo menos oxi- gênio e uma porção do gás de torrefação produzidos no reator de torrefação.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, em que a unida- de de combustão produz um gás combustível fornecido ao secador para se- car o material lignocelulósico.

12. Método para a torrefação de material lignocelulósico que compreende as etapas de: secar o material lignocelulósico para remover pelo menos uma porção de umidade contida no material lignocelulósico; reagir o material lignocelulósico seco a uma pressão entre 100 e -5000 Kpa (1 e 50 bar) e a uma temperatura entre 100 e 1.000° C em um rea- tor de torrefação para gerar biomassa torrificada e gás de torrefação; reciclar pelo menos uma porção do gás de torrefação de volta para o reator de torrefação; resfriar a biomassa torrificada em um refrigerante que opera em um ambiente substancialmente livre de oxigênio; reciclar o gás inerte para o refrigerante e reciclar o gás inerte pa- ra o reator de torrefação; fornecer a composição de gás inerte para o refrigerante; em que o método usa o gás inerte como pelo menos um meio parcial para transferir calor entre o reator de torrefação e o refrigerante.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que o refrige- rante é um refrigerante de leito fluido, e em que o método compreende adi- cionalmente uma etapa de separar a biomassa torrificada e o gás inerte em um ciclone.

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que o gás i- nerte compreende nitrogênio.

15. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que a etapa de secar remove a umidade presente no material lignocelulósico de tal modo que um teor de umidade absoluto do material lignocelulósico seja menos que -15% do peso total do material lignocelulósico.

16. Método, de acordo com a reivindicação 12, que compreende adicionalmente a etapa de combustar pelo menos oxigênio e uma porção do gás de torrefação produzidos no reator de torrefação para produzir um gás combustível quente.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, que compreende adicionalmente a etapa de fornecer o gás combustível quente para o seca- dor a uma temperatura de até 1.000°C.

18. Método, de acordo com a reivindicação 12 que compreende adicionalmente a etapa de compactar em um pelotador os sólidos de bio- massa torrificada obtidos a partir do refrigerante.

19. Método, de acordo com a reivindicação 12 que compreende adicionalmente as etapas de separar ar em, pelo menos, uma primeira cor- rente que compreende oxigênio e uma segunda corrente que compreende nitrogênio e com o uso do nitrogênio como o gás inerte.

20. Método, de acordo com a reivindicação 12, em que a reação do material lignocelulósico seco ocorre a uma pressão entre 500 e 2000 Kpa (5 e 20 bar).